Мисливці з темної матерії шукають всередині скель для нових доказів


Майже у двох десятки підземних лабораторій, розкиданих по всій землі, використовуючи чани з рідиною або блоки металів і напівпровідників, вчені шукають докази темної матерії. Їх експерименти стають більш складними, і пошук стає більш точним, але крім дуже суперечливого сигналу, що надходить з лабораторії в Італії, ніхто не знайшов прямих доказів таємничого матеріалу, який, як вважають, становить 84 відсотки у Всесвіті.

Нове дослідження показує, що ми повинні дивитися глибше.

Журнал Quanta


автор фото

Про

Оригінальна історія перевидана з дозволу журналу Quanta, редакційно-незалежного видання Фонду Сімонса, метою якого є розширення суспільного розуміння науки шляхом висвітлення наукових розробок і тенденцій у математиці та фізичних і біологічних науках.

Темна матерія відрізняється від звичайної, баріонної матерії – речовини, що створює зірки, галактики, собаки, люди і все інше – в тому, що вона не взаємодіє ні з чим, крім гравітації (і, можливо, слабкої ядерної сили). Ми не можемо цього бачити, але фізики – це все, що є там, скульптурні галактики та їхні шляхи через космос.

Протягом багатьох десятиліть прихильники кандидатів на частинки темної матерії були гіпотетичними сором'язливими речами, званих слабко взаємодіючими масивними частинками, або WIMP. Багато експериментів шукають їх, шукаючи докази того, що WIMP прийшов і постукав звичайною справою. У цьому сценарії WIMP викличе атомне ядро ​​через слабку силу. Залякане ядро ​​потім відскочить і випромінює якусь енергію, наприклад, спалах світла або звукову хвилю. Виявлення таких ледь помітних явищ вимагає чутливих інструментів, зазвичай похованих глибоко під землею. Це в основному тому, що інструменти захищені від непристойних космічних променів, які також можуть викликати відскоки ядер.

Після пошуків цих слабких пінгів десятиліттями, вчені мають мало важких доказів для цього. Тепер команда фізиків у Польщі, Швеції та США має іншу ідею. Подивіться не на германій і ксенон, а на сцинтилятори в детекторах, які поховані під земною корою, вони сперечаються: подивіться на саму планету. У рок-записі, де поховані історії минулого нашої Сонячної системи, ми можемо знайти скам'янілий відкат вражених атомних ядер, заморожені сліди WIMP.

"Ми завжди вболіваємо за альтернативні способи, щоб зробити речі", сказала Кетрін Фрізе, фізик-теоретик з Мічиганського університету і архітектор ідей, що стоять за деякими з існуючих детекторів.

Кетрін Фрізе розробила ряд ідей для детекторів темної матерії. Деякі її ідеї перетворилися на експерименти.

Підземний палеодетектор працюватиме подібно до сучасних методів прямого виявлення, стверджує Фрезе та її колеги. Замість того, щоб обладнати лабораторію великим об'ємом рідини або металу, щоб спостерігати відкат WIMP у реальному часі, вони шукали б копалини слідів WIMP, що стукають в атомні ядра. У міру віддачі ядер у деяких класах мінералів вони залишили ушкодження.
Якщо ядро ​​відкочується з достатньою енергією, і якщо збурені атоми потім заглиблюються глибоко в землю (щоб захистити зразок від космічних променів, які можуть замутувати дані), то трек віддачі може бути збережений. Якщо це так, дослідники зможуть копати скелю, відшаровувати шари часу і досліджувати давню подію, використовуючи складні нано-візуальні методи, такі як атомно-силова мікроскопія. Кінцевим результатом буде викопний шлях: паралельна темна матерія, що знайшла сліди сауропода, коли він втік від хижака.

Крихітні крани

Приблизно п'ять років тому Фрізе почав кидати ідеї щодо нових типів детекторів з фізиком Анджей Друкієром, фізиком з Стокгольмського університету, який розпочав свою кар'єру, вивчаючи виявлення темної матерії перед поворотом до біофізики. Одна з їхніх ідей, розроблена разом з біологом Джорджем Церквою, включала детектори темної матерії на основі ДНК і ферментних реакцій.

У 2015 році Друкєр поїхав до Новосибірська, Росія, щоб працювати над прототипом біологічного детектора, який буде розташований під земною поверхнею. У Росії він дізнався про буріння свердловин під час холодної війни, деякі з яких досягають 12 кілометрів вниз. Ніякі космічні промені не можуть проникнути так далеко. Друкера було заінтриговано.

Типові детектори темної матерії є відносно великими і високочутливими до раптових подій. Вони здійснюють свої пошуки протягом декількох років, але здебільшого вони шукають крани WIMP в режимі реального часу. Мінерали, хоча і відносно невеликі і менш чутливі до взаємодії WIMP, можуть представляти собою пошук, який триває сотні мільйонів років.

"Ці шматки скелі, видалені з дуже, дуже глибоких ядер, насправді є мільярдом років", сказав Друкіер. «Чим глибше ви йдете, тим старше. Тому раптом не потрібно будувати детектор. У землі є детектор.

Земля ставить свої власні проблеми. Планета повна радіоактивного урану, який виробляє нейтрони при його розпаді. Ці нейтрони також можуть вибивати ядра навколо. Фрізе сказала, що початковий документ команди, що описує палеодетектори, не враховує шум, який сприяє розпад урану, але безліч коментарів від інших зацікавлених вчених змусило їх повернутися і переглянути. Команда провела два місяці, вивчаючи тисячі мінералів, щоб зрозуміти, які з них виділені від розпаду урану. Вони стверджують, що кращі палеодетектори будуть складатися з морських випарів – в основному, кам'яної солі – або в скелях, які містять дуже мало кремнезему, які називаються ультраосновними породами. Крім того, вони шукають мінерали, які мають багато водню, оскільки водень ефективно блокує нейтрони, які надходять від розпаду урану.

Халіт, більш відомий як кам'яна сіль, є ультраосновною скелею, яка потенційно може бути використана як детектор темної матерії.

Пошук копалин може бути гарним способом пошуку масових WIMP, говорить Трейсі Слатер, фізик-теоретик з Массачусетського технологічного інституту, який не брав участь у дослідженні.

– Ви шукаєте ядро, що стрибає, мабуть, без приводу, але воно повинне стрибати на певну суму, щоб побачити його. Якщо я відкидаю м'яч для пінг-понгу від боулінг-м'яча, ми не будемо бачити, що куля для боулінгу рухається дуже сильно, або вам краще вдасться виявити досить невеликі зміни у русі боулінг-м'яча, – сказала вона. . "Це новий спосіб зробити це".

Найбільш складний експеримент

Робота на місцях була б непростою. Дослідження повинні відбуватися глибоко під землею, де зразки ядра будуть захищені від космічного та сонячного випромінювання. А для вирішення доказів підштовхування ядер потрібно буде виконати найсучасніші нанозображення.
Навіть якщо WIMPs залишають спостережуваний шрам, головною турботою для палеодетекторів буде забезпечення того, щоб викопні сліди насправді надходили з частинок темної матерії, сказав Слатер. Дослідникам доведеться витратити багато часу, переконуючи себе, що відскоки – це не робота нейтронів, нейтрино від сонця, або щось інше, сказала вона.

"Вони роблять хороший випадок, що ви можете піти досить глибоко, щоб захиститися від космічних променів", сказала вона, "але це не контрольована система. Це не лабораторія. Ви можете не знати історію цих родовищ дуже добре. Навіть якщо ви заявили про це сигнал, вам доведеться зробити набагато більше роботи, щоб бути дійсно переконаними, що ви не бачили свого роду фону ».

Друкер і Фрізе сказали, що сила палеодетектора може лежати в цифрах. Камінь містить безліч мінералів, кожен з ядрами атомів, які будуть відступати від мародерства WIMP по-різному. Різні елементи, таким чином, слугуватимуть різними детекторами, всі згорнуті в один зразок ядра. Це дозволило б експериментаторам переглянути спектр відскоків, підтвердивши свої докази і потенційно дозволивши їм зробити висновки про масу WIMP, сказав Фрізе. У майбутньому палеодетектор міг би навіть забезпечити запис WIMP у часі, як і скам'янілості, що дозволяє палеонтологам реконструювати історію життя на Землі.

До Slatyer, довгий запис може запропонувати унікальний зонд Галактики темної матерії Чумацького Шляху, хмара невидимого матеріалу, що плаває Земля, коли Сонячна система робить свою 250-мільйонну орбіту навколо центру галактики. Розуміння того, як поширюється темна речовина Чумацького Шляху, може дати уявлення про його фізичну поведінку, сказав Слатер. Це може навіть продемонструвати, чи взаємодіє темна матерія з собою таким чином, що виходить за межі гравітації.

"Це місце, де теорія і моделювання все ще перебувають у дуже активному розвитку", – сказала вона.

Однак це ще далеко від реальності. Фрізе і Друкіер стверджують, що доказовий принцип палеодетектора повинен в першу чергу продемонструвати, що він може знайти відбитки, що залишилися відомими частинками, такими як сонячні нейтрино. Потім вони повинні довести, що вони можуть ізолювати стежки WIMP від ​​цих звичайних відмов.

"Це велика зміна перспективи", – сказав Друкєр. – Чи знайдемо ми темну матерію? Я провів 35 років у пошуках цього. Це, мабуть, найскладніший експеримент у світі, тому нам не пощастить. Але це круто.

Оригінальна історія перевидана з дозволу журналу Quanta, редакційно-незалежного видання Фонду Сімонса, метою якого є розширення суспільного розуміння науки шляхом висвітлення наукових розробок і тенденцій у математиці та фізичних і біологічних науках.


Більше великих WIRED Stories