Οι σκοτεινές κυνηγοί ψάχνουν να βρουν μέσα σε βράχους για νέες ενδείξεις


Σε σχεδόν δύο δεκάδες υπόγεια εργαστήρια διασκορπισμένα σε όλη τη γη, χρησιμοποιώντας δεξαμενές υγρού ή μπλοκ μετάλλου και ημιαγωγών, οι επιστήμονες αναζητούν στοιχεία σκοτεινής ύλης. Τα πειράματά τους γίνονται όλο και πιο περίπλοκα και η αναζήτηση γίνεται όλο και πιο ακριβής, αλλά πέρα ​​από ένα πολύ αμφισβητούμενο σήμα που προέρχεται από ένα εργαστήριο στην Ιταλία, κανείς δεν βρήκε άμεσες αποδείξεις για το μυστήριο υλικό που θεωρείται ότι αποτελεί το 84% στο σύμπαν.

Μια νέα μελέτη δείχνει ότι πρέπει να δούμε βαθύτερα.

Quanta Magazine


φωτογραφία συγγραφέα

Σχετικά με

Γνήσια ιστορία ανατυπωμένη με άδεια από το περιοδικό Quanta, μια ανεξάρτητη δημοσίευση του Ιδρύματος Simons, του οποίου η αποστολή είναι να ενισχύσει την κατανόηση της επιστήμης από το κοινό, καλύπτοντας τις εξελίξεις της έρευνας και τις τάσεις στα μαθηματικά και στις φυσικές και βιολογικές επιστήμες.

Η σκοτεινή ύλη είναι διαφορετική από την κανονική, βαρυονική ύλη – τα πράγματα που δημιουργούν αστέρια, γαλαξίες, σκυλιά, ανθρώπους και οτιδήποτε άλλο – στο ότι δεν αλληλεπιδρά με τίποτα εκτός από τη βαρύτητα (και ίσως την αδύναμη πυρηνική δύναμη). Δεν μπορούμε να το δούμε, όμως οι φυσικοί είναι σίγουροι ότι είναι εκεί, γλυπτών των γαλαξιών και των μονοπατιών τους μέσα στον Κόσμο.

Για πολλές δεκαετίες, οι ευνοούμενοι υποψήφιοι για σωματίδια σκοτεινής ύλης ήταν υποθετικά ντροπαλά πράγματα που ονομάζονται σωματίδια μαζικής αλληλεπίδρασης ή WIMP. Πολλά πειράματα ψάχνουν για αυτά αναζητώντας στοιχεία ότι ένα WIMP έχει έρθει κοντά και χτύπησε τακτική υπόθεση γύρω. Σε αυτό το σενάριο, ένα WIMP θα τραβούσε έναν ατομικό πυρήνα μέσω της αδύναμης δύναμης. Ο ξαφνικός πυρήνας θα ανακτήσει και θα εκπέμπει κάποια μορφή ενέργειας, όπως φλας ή ηχητικό κύμα. Η ανίχνευση τέτοιων δυσδιάκριτων φαινομένων απαιτεί ευαίσθητα όργανα, τα οποία συνήθως θάβονται βαθιά στο υπέδαφος. Αυτό είναι ως επί το πλείστον το γεγονός ότι τα όργανα είναι προστατευμένα από διαφωτιστικές κοσμικές ακτίνες, οι οποίες μπορούν επίσης να προκαλέσουν επαναφορά των πυρήνων.

Αφού έψαχνε για αυτές τις λιποθυμιές για δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν λίγα σκληρά στοιχεία για να το δείξουν. Τώρα μια ομάδα φυσικών στην Πολωνία, τη Σουηδία και τις Η.Π.Α. έχει μια άλλη ιδέα. Κοιτάξτε όχι το γερμάνιο και το ξένον και οι σπινθηριστές στους ανιχνευτές που θάβονται κάτω από το φλοιό της γης, υποστηρίζουν: Κοιτάξτε στον ίδιο τον πλανήτη του πλανήτη. Στο ιστορικό βράχο, όπου ιστορίες του παρελθόντος του ηλιακού μας συστήματος ήταν θαμμένες, θα μπορούσαμε να βρούμε την απολιθωμένη ανάκρουση των ατέλειωτων ατομικών πυρήνων, τα παγωμένα ίχνη ενός WIMP.

"Είμαστε πάντα ριζοβολία για εναλλακτικούς τρόπους για να κάνουμε πράγματα", δήλωσε η Katherine Freese, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Michigan και αρχιτέκτονας των ιδεών πίσω από μερικούς από τους υπάρχοντες ανιχνευτές σε λειτουργία.

Η Katherine Freese έχει αναπτύξει μια σειρά ιδεών για ανιχνευτές σκοτεινής ύλης. Μερικές από τις ιδέες της έχουν μετατραπεί σε πειράματα.

Ένας υπόγεια παλαιοανιχνευτής θα λειτουργούσε με τρόπο παρόμοιο με τις τρέχουσες μεθόδους άμεσης ανίχνευσης, σύμφωνα με την Freese και τους συναδέλφους της. Αντί να εξοπλίσουμε ένα εργαστήριο με μεγάλο όγκο υγρού ή μέταλλο για να παρατηρήσουμε την ανάκρουση του WIMP σε πραγματικό χρόνο, θα αναζητούσαν τα απολιθωμένα ίχνη των WIMP να χτυπούν σε ατομικούς πυρήνες. Καθώς οι πυρήνες ανάκρουσης, θα αφήσει ίχνη ζημιάς σε ορισμένες κατηγορίες ορυκτών.
Εάν ο πυρήνας επαναφέρεται με αρκετή σφριγηλότητα και εάν τα άτομα που έχουν διαταραχθεί θάβονται στη συνέχεια βαθιά στη γη (για να προστατεύσουν το δείγμα από τις κοσμικές ακτίνες που μπορούν να λασκάρουν τα δεδομένα) τότε θα μπορούσε να διατηρηθεί η τροχιά ανάκρουσης. Αν ναι, οι ερευνητές ενδέχεται να είναι σε θέση να σκάψουν το βράχο, να αποκολλήσουν τα στρώματα του χρόνου και να διερευνήσουν το παλιό γεγονός χρησιμοποιώντας εξελιγμένες τεχνικές νανο-απεικόνισης όπως η μικροσκοπία ατομικής δύναμης. Το τελικό αποτέλεσμα θα ήταν ένα απολιθωμένο μονοπάτι: το σκοτεινό θέμα να ανιχνεύσει το αποτύπωμα ενός sauropod καθώς έφυγε από ένα θηρευτή.

Μικρές βρύσες

Περίπου πέντε χρόνια πριν, ο Freese άρχισε να πετάει γύρω από τις ιδέες για νέους τύπους ανιχνευτών με τον Andrzej Drukier, φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης, ο οποίος ξεκίνησε την καριέρα του μελετώντας την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης προτού περιστρέφεται στη βιοφυσική. Μια από τις ιδέες τους, που επινοήθηκε μαζί με τον βιολόγο George Church, αφορούσε ανιχνευτές σκοτεινής ύλης με βάση το DNA και τις ενζυμικές αντιδράσεις.

Το 2015 ο Drukier ταξίδεψε στο Νοβοσιμπίρσκ της Ρωσίας για να εργαστεί σε πρωτότυπο βιολογικό ανιχνευτή που θα στεγάζεται κάτω από την επιφάνεια της γης. Στη Ρωσία, έμαθε για τις γεωτρήσεις που έχουν διανοιχτεί κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου, μερικές από τις οποίες φθάνουν 12 χιλιόμετρα κάτω. Καμιά κοσμική ακτινοβολία δεν μπορεί να διαπεράσει τόσο μακριά. Ο Drukier ήταν περίεργος.

Οι τυπικοί ανιχνευτές σκοτεινής ύλης είναι σχετικά μεγάλοι και εξαιρετικά ευαίσθητοι σε ξαφνικά γεγονότα. Διεξάγουν τις έρευνές τους για πολλά χρόνια, αλλά ως επί το πλείστον ψάχνουν για ρομπότ WIMP σε πραγματικό χρόνο. Τα ορυκτά, ενώ είναι σχετικά μικρά και λιγότερο ευαίσθητα στις αλληλεπιδράσεις του WIMP, θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύουν μια αναζήτηση που συνεχίζεται για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια.

"Αυτά τα κομμάτια βράχου, που αφαιρούνται από τους πολύ πυκνούς πυρήνες, είναι στην πραγματικότητα ένα δισεκατομμύριο χρόνια", δήλωσε ο Drukier. "Όσο πιο βαθιά πηγαίνετε, τόσο μεγαλύτερα είναι. Έτσι ξαφνικά δεν χρειάζεται να χτίσετε έναν ανιχνευτή. Έχετε έναν ανιχνευτή, στο έδαφος. "

Η γη δημιουργεί τα δικά της προβλήματα. Ο πλανήτης είναι γεμάτος από ραδιενεργό ουράνιο, που παράγει νετρόνια καθώς διασπώνται. Αυτά τα νετρόνια μπορούν επίσης να χτυπήσουν πυρήνες γύρω. Ο Freese ανέφερε ότι το αρχικό έγγραφο της ομάδας, που περιγράφει τους παλαιοανιχνευτές, δεν αποδίδει το θόρυβο που προκαλείται από την καταστροφή ουρανίου, αλλά μια σειρά από σχόλια από άλλους ενδιαφερόμενους επιστήμονες τους οδήγησαν να επιστρέψουν και να αναθεωρήσουν. Η ομάδα πέρασε δύο μήνες μελετώντας χιλιάδες ορυκτά για να καταλάβει ποιες είναι απομονωμένες από την καταστροφή του ουρανίου. Υποστηρίζουν ότι οι καλύτεροι παλαιοανιχνευτές θα αποτελούνται από θαλάσσιους εξατμιστές – βασικά άλατα πετρωμάτων – ή από πετρώματα που περιέχουν πολύ λίγο διοξείδιο του πυριτίου, τα οποία ονομάζονται υπερβασικά πετρώματα. Επιπλέον, ψάχνουν για ορυκτά που έχουν πολύ υδρογόνο, καθώς το υδρογόνο μπλοκάρει αποτελεσματικά τα νετρόνια που προέρχονται από τη φθορά του ουρανίου.

Ο Halite, πιο γνωστός ως άλας βράχου, είναι ένας υπερβασικός βράχος που θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί ως ανιχνευτής σκοτεινής ύλης.

Η αναζήτηση απολιθωμένων ορυκτών μπορεί να είναι ένας καλός τρόπος για την αναζήτηση WIMP χαμηλής μάζας, δήλωσε ο Tracy Slatyer, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης που δεν συμμετείχε στην έρευνα.

"Ψάχνετε για έναν πυρήνα άλμα για φαινομενικά δεν υπάρχει λόγος, αλλά πρέπει να πηδήξει κατά ένα ορισμένο ποσό για να το δείτε. Εάν αναπήδηση μια μπάλα Ping-Pong από μια μπάλα μπόουλινγκ, δεν πρόκειται να δούμε την μπάλα μπόουλινγκ να κινηθεί πάρα πολύ – ή καλύτερα να είναι σε θέση να ανιχνεύσει πολύ μικρές αλλαγές στην κίνηση της μπάλας μπόουλινγκ σας », είπε . "Αυτός είναι ένας νέος τρόπος για να γίνει αυτό".

Το πιο δύσκολο πείραμα

Η σχετική έρευνα δεν θα ήταν εύκολη. Η έρευνα θα πρέπει να πραγματοποιηθεί βαθιά κάτω από το έδαφος, όπου τα δείγματα πυρήνα θα προστατεύονται από την κοσμική και την ηλιακή ακτινοβολία. Και θα ήταν απαραίτητη η εξειδικευμένη νανο-απεικόνιση για την επίλυση ενδείξεων πυρήνων πυρήνων.
Ακόμη και αν τα WIMPs αφήνουν μια παρατηρήσιμη ουλή, η κύρια ανησυχία για τους παλαιοανιχνευτές θα διασφαλίσει ότι τα απολιθωμένα ίχνη προέρχονται πραγματικά από σωματίδια σκοτεινής ύλης, δήλωσε ο Slatyer. Οι ερευνητές θα πρέπει να περάσουν πολύ χρόνο για να πείσουν τους εαυτούς τους ότι η ανάκρουση δεν είναι έργο νετρονίων, νετρίνων από τον ήλιο ή κάτι άλλο, είπε.

"Κάνουν μια καλή υπόθεση ότι μπορείτε να πάτε αρκετά βαθιά για να προστατεύσετε από τις κοσμικές ακτίνες", είπε, "αλλά αυτό δεν είναι ένα ελεγχόμενο σύστημα. Αυτό δεν είναι εργαστήριο. Μπορεί να μην γνωρίζετε πολύ καλά την ιστορία αυτών των καταθέσεων βράχου. Ακόμη και αν ζητήσατε ένα μήνυμα από αυτό, θα πρέπει να κάνετε πολύ περισσότερη δουλειά για να είστε πραγματικά πεπεισμένοι ότι δεν βλέπετε κάποιο είδος ιστορικού ».

Οι Drukier και Freese ανέφεραν ότι η αντοχή των παλαιοανιχνευτών μπορεί να είναι σε αριθμούς. Ένας βράχος περιέχει πλήθος ορυκτών, καθένα με ατομικούς πυρήνες που θα ανάκτιζαν από ένα βιαστικό WIMP με διαφορετικούς τρόπους. Διαφορετικά στοιχεία θα χρησίμευαν επομένως ως διαφορετικοί ανιχνευτές, όλα τυλιγμένα σε ένα δείγμα πυρήνα. Αυτό θα επέτρεπε στους πειραματιστές να δουν ένα φάσμα ανάκρουσης, επιβεβαιώνοντας τα στοιχεία τους και ενδεχομένως τους επιτρέποντας να εξάγουν συμπεράσματα σχετικά με τη μάζα του WIMP, δήλωσε ο Freese. Στο μέλλον, ένας παλαιοανιχνευτής θα μπορούσε να παράσχει ακόμη και ένα αρχείο WIMP με το χρόνο, ακριβώς όπως το αρχείο απολιθωμάτων επιτρέπει στους παλαιοντολόγους να αναδημιουργήσουν το ιστορικό της ζωής στη Γη.

Για το Slatyer, το μακρύ ρεκόρ θα μπορούσε να προσφέρει ένα μοναδικό δείγμα της φωτοστέφανος της Γαλαξίας, το σύννεφο του αόρατου υλικού που η Γη κολυμπάει καθώς το ηλιακό σύστημα κάνει την τροχιά του γύρω από το κέντρο του γαλαξία 250 εκατομμυρίων ετών. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο διανέμεται η φωτοστέφανα της Γαλαξίας μας, θα μπορούσε να δώσει πληροφορίες για τη φυσική συμπεριφορά της, ανέφερε ο Slatyer. Θα μπορούσε ακόμη και να αποδείξει εάν η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με τον εαυτό της με τρόπους που υπερβαίνουν τη βαρύτητα.

"Αυτό είναι ένα μέρος όπου η θεωρία και η μοντελοποίηση είναι ακόμα σε πολύ ενεργό ανάπτυξη", είπε.

Αυτό όμως απέχει πολύ από την πραγματικότητα. Οι Freese και Drukier λένε ότι ο παλαιοανιχνευτής της απόδειξης αρχής θα πρέπει πρώτα να αποδείξει ότι μπορεί να βρει ίχνη ανάκρουσης που αφήνονται από γνωστά σωματίδια όπως ηλιακά νετρίνα. Στη συνέχεια, πρέπει να αποδείξουν ότι μπορούν να απομονώσουν WIMP μονοπάτια από αυτές τις συνηθισμένες ανάκρουσης.

"Είναι μια σημαντική αλλαγή προοπτικής", δήλωσε ο Drukier. "Θα βρούμε σκοτεινή ύλη; Έχω περάσει 35 χρόνια ψάχνοντας για αυτό. Αυτό είναι ίσως το πιο δύσκολο πείραμα στον κόσμο, οπότε ίσως να μην είμαστε τυχεροί. Αλλά είναι δροσερό. "

Γνήσια ιστορία ανατυπωμένη με άδεια από το περιοδικό Quanta, μια ανεξάρτητη δημοσίευση του Ιδρύματος Simons, του οποίου η αποστολή είναι να ενισχύσει την κατανόηση της επιστήμης από το κοινό, καλύπτοντας τις εξελίξεις της έρευνας και τις τάσεις στα μαθηματικά και στις φυσικές και βιολογικές επιστήμες.


Περισσότερες μεγάλες ιστορίες WIRED