Ловците на тъмните материи търсят вътрешни скали за нови улики


В почти две дузина подземни лаборатории, разпръснати по цялата земя, използвайки вани с течност или метални блокове и полупроводници, учените търсят доказателства за тъмна материя. Техните експерименти стават все по-сложни и търсенето става все по-прецизно, но освен много оспорван сигнал, идващ от лаборатория в Италия, никой не е открил преки доказателства за мистериозния материал, за който се смята, че съставлява 84 процента от въпроса. във Вселената.

Ново проучване предполага, че трябва да изглеждаме по-дълбоко.

Списание Quanta


авторска снимка

относно

Оригиналната история е препечатана с разрешение от Quanta Magazine, редакционно независима публикация на Фондация Симонс, чиято мисия е да подобри общественото разбиране на науката, като обхваща научноизследователските разработки и тенденциите в математиката и физическите и биологичните науки.

Тъмната материя е различна от обикновената барионна материя – нещата, които правят звезди, галактики, кучета, хора и всичко останало – в това, че не взаимодейства с нищо, освен чрез гравитацията (и може би слабата ядрена сила). Не можем да го видим, но физиците са сигурни, че са там, скулптурирайки галактики и техните пътеки през космоса.

В продължение на много десетилетия предпочитаните кандидати за частици от тъмна материя са хипотетични срамежливи неща, наречени слабо взаимодействащи масивни частици или WIMP. Много експерименти ги търсят, като търсят доказателства, че WIMP е дошъл и е повредил редовната материя. При този сценарий, WIMP ще докосне атомно ядро ​​чрез слабата сила. Изплашеното ядро ​​тогава се отдръпва и излъчва някаква форма на енергия, като светкавица или звукова вълна. Откриването на такива едва забележими явления изисква чувствителни инструменти, обикновено заровени дълбоко под земята. Това е най-вече така, че инструментите са защитени от лъжливи космически лъчи, които също могат да причинят откази от ядра.

След търсене на тези слаби пинг-писи от десетилетия, учените нямат много сериозни доказателства за това. Сега екип от физици в Полша, Швеция и САЩ има друга идея. Не гледайте към германия и ксенона и сцинтилаторите в детектори, заровени под земната кора, твърдят те: Погледнете към самата кора на планетата. В историята на скалите, където историите за миналото на нашата слънчева система са заровени, можем да намерим вкаменелия откат на изплашени атомни ядра, замразените следи от WIMP.

"Винаги се занимаваме с алтернативни начини да правим нещата", казва Катрин Фрийз, теоретик-физик от Университета в Мичиган и архитект на идеите зад някои от съществуващите детектори.

Катрин Фрийз е разработила редица идеи за детектори за тъмна материя. Някои от нейните идеи бяха превърнати в експерименти.

Подземният палео-детектор ще работи по начин, подобен на настоящите методи за директно откриване, според Фрийз и нейните колеги. Вместо да подготвят лаборатория с голям обем течност или метал, за да наблюдават отблъскването на WIMP в реално време, те ще търсят фосилни следи от WIMPs, които се удрят в атомните ядра. Тъй като ядрата се отдръпват, те ще оставят следи от увреждане в някои класове минерали.
Ако ядрото се отдръпва с достатъчно сила и ако възникналите атоми се заровят дълбоко в земята (за да предпазят пробата от космическите лъчи, които могат да замъглят данните), тогава трасето на отката може да се запази. Ако е така, изследователите може да могат да копаят скалата, да отлепят слоевете от време и да изследват отдавнашно събитие, използвайки усъвършенствани нанообразни техники като микроскопия с атомна сила. Крайният резултат ще бъде вкаменелостта: тъмната материя ще намери следа от савропод, тъй като избяга от хищник.

Малки кранове

Преди около пет години Фрийз започна да хвърля идеи за нови типове детектор с Анджей Друкиер, физик в Стокхолмския университет, който започна кариерата си за изучаване на тъмната материя, преди да се превърне в биофизика. Една от техните идеи, разработени заедно с биолога Джордж Църквата, включва детектори за тъмна материя, основани на ДНК и ензимни реакции.

През 2015 г. Друкиер пътува до Новосибирск, Русия, за да работи върху прототип на биологичен детектор, който да се помещава под земната повърхност. В Русия той е научил за пробитите сондажи по време на Студената война, някои от които достигат 12 километра надолу. Космическите лъчи не могат да проникнат толкова далеч. Друкиер беше заинтригуван.

Типичните детектори на тъмна материя са относително големи и много чувствителни към внезапни събития. Те извършват своите търсения в продължение на няколко години, но в по-голямата си част търсят WIMP кранове в реално време. Минералите, макар и относително малки и по-малко чувствителни към взаимодействията с WIMP, могат да представляват търсене, което продължава стотици милиони години.

"Тези парчета скала, отстранени от много, много дълбоките ядра, всъщност са на милиард години," каза Друкиер. – Колкото по-дълбоко отиваш, толкова по-старо е. Така че изведнъж не е нужно да изграждате детектор. Имаш детектор в земята.

Земята поставя свои собствени проблеми. Планетата е пълна с радиоактивен уран, който произвежда неутрони, докато се разпада. Тези неутрони могат също да разбиват ядра наоколо. Фрийзе заяви, че първоначалният доклад на екипа, описващ палеодетектори, не отчита шума, допринасящ за разпадането на урана, но множество коментари от други заинтересовани учени ги накараха да се върнат и да преразгледат. Екипът прекарал два месеца в изучаване на хиляди минерали, за да разбере кои са изолирани от уран. Те твърдят, че най-добрите палео-детектори ще се състоят от морски изпарители – основно каменна сол – или от скали, които съдържат много малко силициев двуокис, които се наричат ​​ултрабазични скали. Освен това те търсят минерали, които имат много водород, тъй като водородът ефективно блокира неутроните, които идват от урановия разпад.

Халит, по-известен като каменна сол, е ултрабазична скала, която потенциално може да се използва като детектор на тъмна материя.

Търсенето на изкопаеми тръби може да бъде добър начин за търсене на WIMP с ниска маса, каза Трейси Слайтър, теоретик-физик от Масачузетския технологичен институт, който не е участвал в изследването.

– Търсите ядрен скок за привидно без причина, но трябва да скочите с определена сума, за да го видите. Ако отскачам топка за пинг-понг от топка за боулинг, няма да видим, че топката за боулинг се движи много – или е по-добре да откриете доста малки промени в движението на топката за боулинг. , "Това е нов начин да се направи това."

Най-трудният експеримент

Теренната работа не е лесна. Изследванията ще трябва да се проведат дълбоко под земята, където пробите от ядрото ще бъдат защитени от космическа и слънчева радиация. И за най-съвременните наноизображения ще се изисква да разрешат доказателствата за подтискане на ядрата.
Дори и WIMP да оставят забележим белег, основната грижа на палеодетекторите ще бъде да се гарантира, че изкопаемите следи наистина идват от частиците на тъмната материя, каза Slatyer. Изследователите ще трябва да прекарат много време, за да се убедят, че отдръпването не е дело на неутрони, неутрино от слънцето, или нещо друго, каза тя.

– Те правят добър случай, че можете да отидете доста дълбоко, за да предпазите от космически лъчи – каза тя, – но това не е контролирана система. Това не е лаборатория. Може да не знаете много добре историята на тези скални отлагания. Дори ако сте заявили сигнал от него, ще трябва да направите много повече работа, за да бъдете наистина убедени, че не сте виждали някакъв фон. "

Друиер и Фрийз твърдят, че силата на палеодетекторите може да лежи в цифри. Скалата съдържа множество минерали, всяка с атомни ядра, които биха се отдръпнали от мародерстващата WIMP по различни начини. Различни елементи следователно биха служили като различни детектори, всички обвити в една проба от ядрото. Това би позволило на експериментаторите да видят спектър от отблъсквания, потвърждавайки техните доказателства и потенциално позволявайки им да правят заключения за масата на WIMP, каза Фрийз. В бъдеще, палео-детектор може дори да осигури WIMP запис през времето, точно както вкаменелостите дават възможност на палеонтолозите да реконструират историята на живота на Земята.

За Slatyer дългият запис може да предложи уникална сонда на тъмната материя на млечния път, облакът от невидим материал, през който Земята плува, докато слънчевата система прави орбитата си около 250 милиона години около центъра на галактиката. Разбирането за това, как се разпространява тъмната материя на Млечния път, може да даде представа за физическото му поведение, каза Слатър. Тя дори може да демонстрира дали тъмната материя взаимодейства със себе си по начини, които надхвърлят гравитацията.

"Това е място, където теорията и моделирането все още са в много активно развитие", каза тя.

Това обаче все още е далеч от реалността. Freese и Drukier твърдят, че палео-детектор с доказан принцип на действие трябва първо да покаже, че може да намери следи от отскок, оставени от известни частици като слънчевите неутрино. След това те трябва да докажат, че могат да изолират пътеките на WIMP от тези обикновени отскоци.

– Това е голяма промяна на перспективата – каза Друикър. – Ще намерим ли тъмна материя? Прекарах 35 години в търсене на това. Това е може би най-трудният експеримент в света, така че може и да нямаме късмет. Но е готино.

Оригиналната история е препечатана с разрешение от Quanta Magazine, редакционно независима публикация на Фондация Симонс, чиято мисия е да подобри общественото разбиране на науката, като обхваща научноизследователските разработки и тенденциите в математиката и физическите и биологичните науки.


Още страхотни истории