FoodPro Preloader

Nye teknikker kan målrette mer eksotisk mørk materie


En del av LUX mørk materiell detektor. Sanford Underground Research Facility Hvor er det mørke saken? Forskere som har jaktet i flere tiår for ting som består av det meste av kosmosmassen, begynner å bekymre seg for at de ser på feil sted. Etter at de siste nullresultatene kom ut i sommer fra det mest følsomme søket, men at partiklene trodde å gjøre opp mørk materie, forblir et begrenset teoretisk utvalg av masser og andre egenskaper fortsatt levedyktige for partiklene. Nå har fy

En del av LUX mørk materiell detektor. Sanford Underground Research Facility

Hvor er det mørke saken? Forskere som har jaktet i flere tiår for ting som består av det meste av kosmosmassen, begynner å bekymre seg for at de ser på feil sted. Etter at de siste nullresultatene kom ut i sommer fra det mest følsomme søket, men at partiklene trodde å gjøre opp mørk materie, forblir et begrenset teoretisk utvalg av masser og andre egenskaper fortsatt levedyktige for partiklene. Nå har fysikere foreslått to nye metoder for å tråle dette slanke gjenværende territoriet, som hittil har vært utilgjengelige for eksperimenter.

Det meste av universets masse er mørkt materie, rundt 80% av det. Selv om vi ikke kan se eller røre ved det, vet forskerne at dens tyngdekraften forvrenger bilder av fjerne gjenstander og holder galakser sammen. Siden 1980-årene har eksperimenter begravd dypt i fjell og gruver har ventet tålmodig å se om en mørk materiellpartikkel vil passere gjennom. Europas store Hadron Collider (LHC) slams andre partikler sammen og håper å skape noe mørkt materiale i prosessen. Men så langt har det unnvikende stoffet ikke oppstått på enten LHC eller Large Underground Xenon (LUX) -eksperimentet i South Dakota. Forskere står nå overfor voksende hint om at eksisterende eksperimenter kan være rettet mot feilaktige partikler, og å finne mørkt materiale vil kreve nye teknikker.

Mørk saksøkning til dato har for det meste søkt etter "svakt samvirkende massive partikler" (WIMPs), teoretiske partikler som ville veie mellom 1 giga-elektronvolt (GeV) og 1 tera-elektronvolt (TeV) eller mellom 1 og 1000 ganger massen av en proton. Mange fysikere har lenge sett dem som de mest lovende mørke materie kandidatene, fordi teori innebærer at WIMPs skal bidra med så mye masse til universet som mengden av mørke materie astronomer har målt, men partiklene har hittil ikke klart å vises. Disse forsøkene pleier å søke etter sjeldne forekomster av WIMPs som påvirker atomer i noe detekterende materiale; I tilfelle av LUX er materialet flytende xenon, men andre har brukt solid germanium eller andre stoffer.

"WIMP-paradigmet er under beleiring" etter at mange feil å finne dem har begrenset antall steder de fortsatt kunne gjemme seg, sier Kathryn Zurek fra Lawrence Berkeley National Laboratory i Berkeley, California. Zurek ledet to nylige studier som foreslo nye måter å søke etter mørk materie i form av partikler som ville være lettere enn WIMPs, for eksempel såkalt asymmetrisk mørkt materiale. Slike partikler kan interagere med de normale partiklene vi kjenner om via noen uoppdaget mørk kraft. "Ideen er at du kan ha denne skjulte sektoren der mørkt materiale er veldig lett ... og kan ha individuelle partikkel-interaksjoner med [vanlige] partikler, " sier Zurek. "Det er ikke et paradigme folk hadde tenkt å tenke på før før mindre enn et tiår siden."

I stedet for tradisjonelle mørke materielle detektormaterialer, bruker Zureks lagets første metode superledende aluminium, et stoff hvis elektroner er frie til å bevege seg uten motstand. Innenfor superlederen binder elektronene seg sammen med elektroner i såkalte "Cooper pairs". Energi fra en innkommende mørk materiepartikkel kan bryte opp ett av disse parene og sende vibrasjoner gjennom superlederen, hvilke overfølsomme varme detektorer kalt overgangskant sensorer (TES) ville lese ut. Forskerne publiserte denne metoden i januar i Fysiske Review Letters.

Den andre metoden, som ble publisert i forrige måned i Fysiske gjennomgangsbrev, bruker overflødig helium, en viskositetsvæske med ultrakolde heliumatomer som kan bevege seg rundt hverandre uten motstand. En innkommende mørk materiellpartikkel kan samhandle med en heliumkjerne, forårsaker en kjedereaksjon som sender et sett med fononer, kvante lydbølger, til TES. Begge metodene krever en mye slankere banke fra mørk materie til detekterende materiale for å generere et signal enn eksisterende eksperimenter, og kan derfor se partikler så lett som 1 keV, en milliondel masse av en proton. Tradisjonelle eksperimenter er følsomme bare for partikler så lette som 10 MeV, ti tusen ganger tyngre enn en keV.

Den nåværende generasjonen av mørke materieeksperimenter får oppgraderinger; LUX blir LUX-ZEPLIN (ZonEd Proportional Scintillation i Liquid Noble Gases) eller LZ-eksperiment, XENON100 i Italia blir XENON1T og Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS) i Minnesota vil flytte til et nytt kanadisk nettsted. Men selv de forbedrede versjonene kan i beste fall bare sonde ned til rundt 10 MeV. Hvis de ikke finner noe, vil forskere trolig se på forslag som Zureks for å undersøke enda lettere masser av potensielle partikler. Likevel vil slike eksperimenter kreve forskning og utvikling i hva superledende aluminium eller superfluid helium detektorer faktisk vil se ut, og hvor de skal bygge en slik detektor. "Disse forsøkene vil være teknisk utfordrende, men ikke veldig dyre, " sier Zurek.

"[Denne forskningen] er retningen feltet beveger seg delvis fordi vi ikke har funnet standard WIMPs, sier Dan Bauer, en forsker ved Fermi Nasjonal Accelerator Laboratory i Illinois og SuperCDMS-talsmannen. Selv om forskere fortsatt holder ut håp om at høyere masse WIMP vil vises, "innså vi at vi alltid har sett under spesielle lamper. Det er mye territorium tilgjengelig for lettere masse mørke partikler. "

Og som eksperimentalister bygger detektorer som kan oppdage lettere partikler, vil teoretiske fysikere sannsynligvis komme opp med flere ideer for typer mørke materielle kandidatpartikler som kan bli funnet der. "Teoretikere er veldig kreative, " sier Bob Jacobsen, et universitet i California, Berkeley, fysiker som jobber på LUX og LZ. "Hvis det er en [masse] region som ikke har blitt utforsket, vil teoretikerne si at de kan gjøre noe som er matematisk konsistent. Hvis de publiserer det, er det vår jobb å utelukke det. "

Superleder og superfluid detektor-proof-of-concepts vil i siste instans kreve fysikere å dele sin tid mellom nåværende søk og forskning og utvikling, sier Chris Tully, en fysikist fra Princeton University. "Du må bygge disse teknologiene parallelt med løpende eksperimenter", sier han. Han håper å begynne å se mockups om fem til ti år, avhengig av finansiering (selv om Zurek selv trodde det ville være nærmere 10 år). Mens eksperimentet Tully virker på, Princeton Tritium Observatory for Light, Early Universe, Massive-Neutrino Yield (PTOLEMY) ogSuperCDMShave TESs allerede utviklet, må forskere teste fremtidige detektorer for å sikre at de kan plukke ut mørke partikkelpartikler fra forurensende stråling som forårsaker et lignende signal i detektoren. Nåværende eksperimenter ligger dypt under jorden eller i fjell for å skjerme mot kosmiske stråler, højenergipartikler fra rom som produserer signaler som kan skjule mørkt materiale. Superfluid- eller superledereeksperimenter vil i stedet trenge avskærmning fra strømmende elektromagnetiske bølger, som for eksempel fra mobiltelefoner, sier Zurek. Bauer sier at SuperCDMS 'Sudbury Neutrino Observatory Laboratory bygger slike avskjerming nå. Til slutt, "Det er utrolig hvor lite vi vet, " sier Jacobsen. "Vi leter etter det første ledetråd i forbrytelsesscenen. Hvis du ikke har den første ledetråd, vet du ikke hvor du skal se. "

Hot Spot Hot Rod: Internett Invaderer AutomobileRinger av Saturn og 2 Moons Shine i nydelig NASA PhotoAntarktis Lake Vostok May Hold Extreme LifeÅ gjøre de store Apple Green Starts med Empire State BuildingSaint Patrick's Day Science: Brew Up Some Green Soda Pop!Incognito Caterpillar truer amerikanske grenserAfrika Faces Hotter FutureEt resirkulert univers