Lovci tmavé hmoty hledají uvnitř skal na nové stopy


V téměř dvou desítky podzemních laboratoří, rozptýlených po celé zemi, pomocí kádí tekutin nebo bloků kovu a polovodičů, vědci hledají důkazy o temné hmotě. Jejich experimenty se stále zkomplikují a vyhledávání se stává přesnějším, ale kromě mnohem zpochybněného signálu pocházejícího z laboratoře v Itálii, nikdo nenalezl přímé důkazy o tajemném materiálu, o kterém se předpokládá, že tvoří 84 procent záležitosti ve vesmíru.

Nová studie naznačuje, že bychom měli vypadat hlouběji.

Časopis Quanta


autorová fotka

O

Originální příběh přetištěný se souhlasem časopisu Quanta Magazine, editoriálně nezávislá publikace Nadace Simons, jejímž posláním je posílit vědomí veřejnosti o vědě tím, že pokryje vývoj vědy a trendy v matematice a fyzikálních a biologických vědách.

Tmavá hmota se liší od pravidelné, baryonické hmoty – věci, které vytvářejí hvězdy, galaxie, psy, lidi a vše ostatní – tím, že nereaguje na nic kromě gravitace (a možná i slabé nukleární síly). Nemůžeme to vidět, ale fyzici jsou si jist, že je to tam, vytesáním galaxií a jejich cestami vesmírem.

Po mnoho desetiletí byli upřednostňovaní kandidáti na částice temné hmoty hypotetické plaché věci nazývané slabě interagující masivní částice nebo WIMP. Mnoho experimentů je hledá hledáním důkazů, že WIMP přišel a zaklepal na pravidelnou záležitost. V tomto scénáři by WIMP využíval slabé síly atomové jádro. Vyděšené jádro by se pak odrazilo a vyzařovalo nějakou formu energie, jako je záblesk světla nebo zvuková vlna. Detekce takových sotva vnímatelných jevů vyžaduje citlivé nástroje, obvykle zakopané hluboko pod zemí. To je většinou tak, že nástroje jsou stíněny od odporných kosmických paprsků, které mohou také způsobit, že jádra se odrazí.

Poté, co už po desetiletí hledají tyto slabé pingy, mají vědci pro to nemalé důkazy. Nyní má tým fyziků v Polsku, Švédsku a USA jiný nápad. Podívejte se na germánia a xenon a scintilátory v detektorech zakopaných pod zemskou kůrou, argumentují: Podívejte se na kůru planety samotné. Ve skalním rekordu, kde byly pohřbeny příběhy minulosti naší sluneční soustavy, mohli bychom najít zkamenělý odraz vzrušených atomových jader, zmrazené stopy WIMP.

"Vždycky jsme se zakládali na alternativní způsoby, jak dělat věci," řekla Katherine Freeseová, teoretická fyzika Michiganské univerzity a architektka nápadů za některými z existujících detektorů v provozu.

Katherine Freese vyvinula řadu nápadů pro detektory tmavé hmoty. Některé z jejích myšlenek se změnily v experimenty.

Podzemní paleo-detektor by fungoval podobně jako současné metody přímého odhalení, podle Freese a jejích kolegů. Namísto toho vybavit laboratoř s velkým množstvím tekutiny nebo kovu, aby sledovala odpalování WIMP v reálném čase, by hledali fosilní stopy WIMP, které narážely na atomová jádra. Protože jádra odrazí, zanechávají poškozené stopy v některých třídách minerálů.
Pokud se jádro zotaví dostatečně intenzivně a pokud jsou atomy, které jsou narušeny, jsou pohřbeny hluboko v zemi (aby ochránily vzorek z kosmických paprsků, které mohou blátit data), pak by se mohla zachránit zpětná stopa. Pokud tomu tak je, vědci mohou být schopni vykopat skálu, odlupovat vrstvy času a prozkoumat minulou událost pomocí sofistikovaných nano-zobrazovacích technik, jako je mikroskopie atomové síly. Konečným výsledkem by byla fosilní dráha: protějšek temné hmoty, který našel sauropodovou stopu, když utekl z dravce.

Drobné kohouty

Asi pět let předtím Freese začal házet nápady na nové typy detektorů s Andrzejem Drukiem, fyzikem na Stockholmské univerzitě, který začal svou kariéru studovat detekci tmavé hmoty předtím, než se otočil do biofyziky. Jeden z jejich myšlenek, který byl vytvořen společně s biologem Georgem Churchem, zahrnoval detektory tmavé hmoty založené na DNA a enzymových reakcích.

V roce 2015 Drukier cestoval do Novosibirsku v Rusku, kde pracoval na prototypovém biologickém detektoru umístěném pod zemským povrchem. V Rusku se dozvěděl o vrtech vyvrtaných během studené války, z nichž někteří dosahují 12 kilometrů dolů. Do této vzdálenosti nemohou pronikat žádné kosmické paprsky. Drukier byl zaujatý.

Typické detektory tmavé hmoty jsou poměrně velké a vysoce citlivé na náhlé události. Provádějí své vyhledávání několik let, ale většinou hledají WIMP klíče v reálném čase. Minerály, přestože jsou poměrně malé a méně citlivé na interakce s WIMP, by mohly představovat hledání, které trvá stovky milionů let.

"Tyto kusy skály, odstraněné z velmi hlubokých jader, jsou ve skutečnosti miliardy let," řekl Drukier. "Čím hlouběji jdete, tím starší je. Takže najednou nepotřebujete postavit detektor. Máte detektor v zemi. "

Země má své vlastní problémy. Planeta je plná radioaktivního uranu, který produkuje neutrony, jak se rozpadá. Tyto neutrony mohou také klepat jádra kolem. Freese uvedl, že počáteční článek týmu, který popisuje paleo-detektory, nepočítá s hlukem, který přispěl uranovým rozkladem, ale značné množství připomínek jiných zainteresovaných vědců přimělo je, aby se vrátili a revidovali. Tým strávil dva měsíce studiem tisíců minerálů, aby pochopili, které z nich jsou izolovány z uranového rozkladu. Argumentují, že nejlepší paleo-detektory by se skládaly z mořských evaporitů – v podstatě z horninové soli – nebo ve skalách, které obsahují velmi málo oxidu křemičitého, které se nazývají ultrabasické horniny. Kromě toho hledají minerály, které mají hodně vodíku, protože vodík účinně blokuje neutrony, které pocházejí z uranového úpadku.

Halit, více obyčejně známý jako sůl horniny, je ultrabasická hornina, která by mohla být potenciálně použita jako detektor temné hmoty.

Hledání fosilních zpětných zrcátek může být dobrým způsobem, jak vyhledávat WIMP s nízkou hmotností, řekl Tracy Slatyer, teoretický fyzik na Massachusetts Institute of Technology, který se do výzkumu nezúčastnil.

"Hledáte jádro, které neskáží, protože zdánlivě žádný důvod, ale musí to skočit o určitou částku, abys to viděl. Pokud odskočím míč Ping-Pong z bowlingové koule, neuvidíme bowlingovou kouli hodně – nebo byste měli lépe odhalit malé změny v pohybu vašeho bowlingového míče, "řekla . "To je nový způsob, jak to udělat."

Nejtěžší experiment

Plánovaná práce by nebyla snadná. Výzkum by se měl uskutečnit hluboko v podzemí, kde by jádrové vzorky byly chráněny před kosmickým a slunečním zářením. A nejmodernější nano-zobrazování bude vyžadováno k vyřešení důkazů, které by mohly způsobit přetváření jader.
Dokonce i v případě, že WIMP zanechávají pozorovatelnou jizvu, hlavním problémem pro paleo-detektory bude zajištění, že fosilní dráhy skutečně pocházejí z částic tmavé hmoty, řekl Slatyer. Vědci budou muset strávit spoustu času, aby se přesvědčili, že zpětné odbočení není práce neutronů, neutrin ze slunce nebo něco jiného, ​​řekla.

"Jsou dobrý důvod, že můžete jít do hloubky, aby se chránili před kosmickými paprsky," řekla, "ale to není kontrolovaný systém. To není laboratoř. Nemusíte znát historii těchto skalních ložisek velmi dobře. Dokonce i když jste od něj požadovali signál, museli byste udělat mnohem víc práce, abyste byli opravdu přesvědčeni, že jste neviděli nějaké pozadí. "

Drukier a Freese oba uvedli, že síla paleo-detektorů může spočívat v počtech. Skála obsahuje množství minerálů, z nichž každá má atomová jádra, která by různými způsoby odrazila od záchvatu WIMP. Různé prvky by tedy sloužily jako různé detektory, všechny byly zabaleny do jednoho vzorku jádra. To by umožnilo experimentalistům vidět spektrum zpětných reakcí, potvrzovat jejich důkazy a potenciálně jim dovolit vyvodit závěry o hmotnosti WIMP, řekl Freese. V budoucnu by paleontroller mohl dokonce poskytnout záznam WIMP časem, stejně jako fosilní záznam umožňuje paleontologům rekonstruovat historii života na Zemi.

K Slatyru může dlouhý rekord nabídnout jedinečnou sondu tmavé hmoty mléčné dráhy, oblaku neviditelného materiálu, který Země proplouvá jako sluneční soustava, dělá svou 250 milionovou rotační oběžnou dráhu kolem středu galaxie. Porozumění tomu, jak je distribuována tmavá hmota v mléčné dráze, může poskytnout nahlédnutí do jejího fyzického chování, řekl Slatyer. Dokázalo by dokonce prokázat, zda se temná hmota vzájemně stydí způsobem, který přesahuje gravitaci.

"Toto je místo, kde je teorie a modelování stále velmi aktivní," řekla.

To je však ještě daleko od reality. Freese a Drukier říkají, že paleo-detektor důkazu principu by nejprve musel prokázat, že může najít stopy zpětného rázu, které zanechaly známé částice, jako jsou sluneční neutriny. Pak musí prokázat, že mohou oddělit WIMP stezky od těchto obyčejných odpalů.

"Je to velká změna perspektivy," řekl Drukier. "Najdeme tu temnou věc? Strávil jsem 35 let hledat. To je pravděpodobně nejtěžší experiment na světě, takže nemusíme mít štěstí. Ale je to v pohodě. "

Originální příběh přetištěný se souhlasem časopisu Quanta Magazine, editoriálně nezávislá publikace Nadace Simons, jejímž posláním je posílit vědomí veřejnosti o vědě tím, že pokryje vývoj vědy a trendy v matematice a fyzikálních a biologických vědách.


Více skvělých příběhů WIRED