Karanlık Madde Avcıları Yeni İpuçlarının İçindeki Kayaları Arayor


Neredeyse iki Dünyanın dört bir yanına dağılmış düzine yeraltı laboratuvarları, sıvı fıçıları veya metal ve yarı iletken blokları kullanarak bilim adamları karanlık madde kanıtı arıyorlar. Deneyleri daha karmaşık hale geliyor ve araştırmalar daha hassas bir hal alıyor, ancak İtalya'daki bir laboratuardan gelen çok tartışmalı bir sinyalin dışında, hiç kimse konunun yüzde 84'ünü oluşturduğu düşünülen gizemli materyalin doğrudan kanıtını bulamadı evrende.

Yeni bir çalışma, daha derine bakmamız gerektiğini gösteriyor.

Quanta Dergisi


yazar fotoğrafı

hakkında

Orijinal hikaye, matematik ve fizik ve yaşam bilimlerindeki araştırmalardaki gelişmeleri ve eğilimleri kapsayarak halkın bilim anlayışını geliştirmek olan Simons Vakfı'nın editoryal olarak bağımsız bir yayını olan Quanta Dergisi'nin izniyle yeniden basıldı.

Karanlık madde düzenli, baryonik maddeden farklıdır – yıldızları, galaksileri, köpekleri, insanları ve diğer her şeyi yapan şeyler – yerçekimi (ve belki de zayıf nükleer kuvvet) dışında hiçbir şeyle etkileşime girmemesi. Göremiyoruz, ancak fizikçiler hepsi orada, ancak orada olduklarından emin, galaksileri ve kozmosa doğru yollarını çiziyorlar.

On yıllardır, karanlık madde parçacıkları için tercih edilen adaylar, zayıf etkileşimli büyük parçacıkların ya da WIMP'lerin denilen varsayımsal utangaç şeyleri olmuştur. Birçok deney, WIMP'in geldiğine ve etrafındaki düzenli maddeleri vurduğuna dair kanıt arayarak onları aramaktadır. Bu senaryoda, bir WIMP zayıf kuvvetle bir atom çekirdeğine dokunacaktır. Şaşırmış çekirdek daha sonra geri tepecek ve bir ışık parlaması ya da bir ses dalgası gibi bir enerji biçimini yayacaktır. Bu kadar zor algılanabilen olayları tespit etmek, genellikle derin yeraltına gömülü hassas aletler gerektirir. Bu çoğunlukla, aletlerin çekirdekli makaraların geri dönmesine neden olabilecek şekilde kozmik ışınlardan korunmalarını sağlar.

On yıllardır bu soluk pingleri aradıktan sonra bilim adamlarının gösterecekleri çok az kanıt var. Şimdi Polonya, İsveç ve ABD'deki bir fizikçi ekibinin başka bir fikri var. Germanyum ve ksenon ve yer kabuğunun altında bulunan dedektörlerdeki sintilatörlere bakmayın, diyorlar ki: Gezegenin kabuğunun kendisine bak. Güneş sistemimizin geçmişinin hikayelerinin gömülü olduğu kaya kayıtlarında, WIMP'nin donmuş ayak izleri olan ürkütülmüş atom çekirdeğinin fosilleşmiş tepesini bulabiliriz.

Michigan Üniversitesi'nde teorik bir fizikçi olan ve mevcut dedektörlerin bazılarının arkasındaki fikirlerin mimarı Katherine Freese, “Her zaman iş yapmanın alternatif yollarını araştırıyoruz” dedi.

Katherine Freese, karanlık madde dedektörleri için bir takım fikirler geliştirmiştir. Fikirlerinden bazıları deneylere dönüştürüldü.

Bir yeraltı paleo dedektörü, Freese ve meslektaşlarına göre, şu anki doğrudan tespit yöntemlerine benzer şekilde çalışacaktı. WIMP geri tepmelerini gerçek zamanlı olarak gözlemlemek için büyük miktarda sıvı veya metal içeren bir laboratuara teçhizat vermek yerine, atom çekirdeğine çarpan WIMP'lerin fosil izlerini ararlar. Çekirdeğin geri tepmesi gibi bazı mineral sınıflarında hasar izleri bırakırlar.
Çekirdek yeterince sert bir şekilde geri teperse ve eğer bozulan atomlar yerin derinliklerine gömülürse (numuneyi verileri kirletebilecek kozmik ışınlardan korumak için), o zaman geri tepme izi korunabilir. Öyleyse, araştırmacılar kayayı kazıp, zaman katmanlarını soyabilir ve atomik kuvvet mikroskobu gibi sofistike nano görüntüleme tekniklerini kullanarak uzun zaman önce olayı keşfedebilirler. Sonuçta fosil izi olur: Karanlık madde, avcı bir hayvandan kaçarken ayak izinin ayak izini bulan parça.

Küçük Musluklar

Beş yıl kadar önce Freese, şimdi Stockholm Üniversitesi'nde fizikçi olan fizikçi Andrzej Drukier ile biyofiziğe dönmeden önce karanlık madde tespiti üzerine çalışmaya başladı. Biyolog George Church ile birlikte tasarlanan fikirlerinden biri, DNA ve enzim reaksiyonlarına dayanan karanlık madde detektörlerini içeriyordu.

Drukier, 2015 yılında, dünya yüzeyinin altına yerleştirilecek bir prototip biyolojik dedektör üzerinde çalışmak için Rusya'nın Novosibirsk kentine gitti. Rusya'da, Soğuk Savaş sırasında bir kısmı 12 kilometreye ulaşan sondaj deliklerini öğrendi. Hiçbir kozmik ışın bu kadar uzağa nüfuz edemez. Drukier ilgisini çekti.

Tipik karanlık madde detektörleri nispeten büyüktür ve ani olaylara karşı oldukça hassastır. Birkaç yıl boyunca araştırmalarını yapıyorlar, ancak çoğu zaman gerçek zamanlı WIMP muslukları arıyorlar. Mineraller, WIMP etkileşimlerine nispeten küçük ve daha az hassas olmakla birlikte, yüz milyonlarca yıldır süren bir araştırmayı temsil edebilir.

Drukier, “Çok, çok derin çekirdekten kaldırılan bu kaya parçaları aslında bir milyar yıllık” dedi. “Ne kadar derine gidersen o kadar eskidir. Böylece aniden bir dedektör oluşturmanıza gerek kalmaz. Yerde bir dedektörünüz var. ”

Dünya kendi sorunlarını ortaya koyuyor. Gezegen, bozuldukça nötron üreten radyoaktif uranyumla doludur. Bu nötronlar ayrıca etrafındaki çekirdekleri de vurabilir. Freese, ekibin paleo dedektörlerini tanımlayan ilk makalesinin uranyum bozunumunun neden olduğu gürültüyü hesaba katmadığını, ancak diğer ilgili bilim adamlarının yorumlarının bir kısmının geri dönüp revize edildiğini söyledi. Takım, hangilerinin uranyum bozunumundan izole edildiğini anlamak için iki ay boyunca binlerce mineral inceleyerek geçirdi. En iyi paleo dedektörlerinin deniz buharları – temel olarak kaya tuzu – veya çok az silika içeren ve ultrabazik kaya denilen kayalarda oluşabileceğini savunuyorlar. Ek olarak, hidrojen, uranyum çürümesinden gelen nötronları etkili bir şekilde bloke ettiği için çok fazla hidrojene sahip mineralleri ararlar.

Daha yaygın olarak kaya tuzu olarak bilinen Halit, potansiyel olarak karanlık madde detektörü olarak kullanılabilecek ultrabazik bir kayadır.

Fosil geri tepme maddelerinin araştırılması, düşük kütleli WIMP'leri aramak için iyi bir yol olabilir, dedi, Massachusetts Institute of Technology'de araştırmaya katılmamış teorik bir fizikçi olan Tracy Slatyer.

“Görünüşe göre sebepsiz yere zıplayan bir çekirdek arıyorsun, ancak görmen için belli bir miktar zıplaması gerekiyor. Bir bowling topundan bir Ping-Pong topu fırlatırsam, bowling topunun çok fazla hareket ettiğini görmeyeceğiz – yoksa bowling topunuzun hareketindeki küçük değişiklikleri görmeniz daha iyi olur ”dedi. . “Bunu yapmanın yeni bir yolu.”

En Zor Deney

İlgili saha çalışması kolay olmazdı. Araştırma, çekirdek numunelerin kozmik ve güneş ışınlarından korunabileceği derin yeraltında yapılmak zorunda kalacaktı. Ve en son teknolojiye sahip nano görüntüleme, çekirdek dürtmesinin kanıtlarını çözmek için gerekli olacaktır.
WIMP'ler gözlemlenebilir bir iz bıraksa bile, paleo-dedektörlerin asıl kaygısı fosil izlerinin gerçekten karanlık madde parçacıklarından gelmesini sağlamak olacak. Araştırmacılar kendilerini geri tepenlerin nötronların, güneşten gelen nötrinoların veya başka bir şeyin işi olmadığına ikna etmek için çok zaman harcamak zorunda kalacaklar dedi.

“Kozmik ışınlardan korunmak için oldukça derinlere gidebileceğiniz iyi bir dava açıyorlar” dedi, “ama bu kontrollü bir sistem değil. Bu bir laboratuvar değil. Bu kaya birikintilerinin tarihçesini çok iyi bilmiyor olabilirsiniz. Ondan bir sinyal talep etseniz bile, gerçekten bir tür arka plan görmediğinize ikna olmak için çok daha fazla çalışma yapmanız gerekirdi. ”

Drukier ve Freese, her ikisinin de paleo-dedektörlerinin gücünün rakamlara dayanabileceğini söyledi. Bir kaya, her biri çok çeşitli minerallerden oluşan ve çok çeşitli mineraller içerir; Dolayısıyla farklı elemanlar, hepsi bir çekirdek numuneye sarılmış farklı dedektörler olarak işlev görür. Freese, bu, deneycilerin, kanıtlarını destekleyerek ve potansiyel olarak WIMP kütlesi hakkında bir sonuca varmalarına izin verecek şekilde bir geri tepme spektrumunu görmelerini sağlayacaktır. Gelecekte, bir paleo dedektörü, fosil kayıtlarının paleontologların Dünyadaki yaşam tarihini yeniden inşa etmelerine izin verdiği gibi, zaman içinde WIMP kaydı bile sağlayabilir.

Slatyer'e göre, uzun kayıtlar, Güneş sistemi 250 milyon yıllık yörüngesini galaksinin merkezi etrafında geçirirken, Dünya'nın içinden geçtiği görünmez malzeme bulutu olan Samanyolu’nun karanlık madde halinin eşsiz bir sondasını sunabilir. Slatyer, Samanyolu’nun karanlık madde halinin nasıl dağıldığını anlamak, fiziksel davranışlarına bir bakış açısı getirebileceğini söyledi. Karanlık maddenin yerçekiminin ötesine giden yollarla etkileşime girip girmediğini bile gösterebilir.

“Burası teori ve modellemenin hala aktif bir gelişim içinde olduğu bir yer” dedi.

Ancak, bu hala gerçeklikten çok uzak. Freese ve Drukier, ilke kanıtının bir paleo dedektörünün ilk önce güneş nötrinoları gibi bilinen partiküller tarafından bırakılan geri tepme izlerini bulabileceğini göstermek zorunda kalacağını söylüyor. O zaman WIMP izlerini bu sıradan geri tepmelerden izole edebildiklerini ispatlamak zorundadırlar.

Drukier, “Bu, perspektifin büyük bir değişimi” dedi. “Karanlık madde bulabilecek miyiz? 35 yıl boyunca onu aradım. Bu muhtemelen dünyadaki en zor deney, bu yüzden şanslı olmayabiliriz. Ama çok havalı. ”

Orijinal hikaye, matematik ve fizik ve yaşam bilimlerindeki araştırmalardaki gelişmeleri ve eğilimleri kapsayarak halkın bilim anlayışını geliştirmek olan Simons Vakfı'nın editoryal olarak bağımsız bir yayını olan Quanta Dergisi'nin izniyle yeniden basıldı.


Daha Büyük KABLOLU Öyküler