изследване

Най-доброто място за търсене на тъмна материя могат да бъдат недрата на Земята.

Почти две дузини подземни лабораторииРазпръснати из целия свят, натоварени с вани с течност или блокове от метал и полупроводници, учените търсят следи от тъмна материя. Техните експерименти стават все по-сложни и търсенето става все по-прецизно, но досега никой не е намерил преки доказателства за съществуването на загадъчна субстанция, от която са направени 84% от цялата материя във Вселената. Според едно ново изследване трябва да узреем до корена, тоест още по-дълбоко.

Тъмната материя е различна от обикновената барионнаматерия - субстанцията, от която звездите, галактиките, кучетата, хората и всичко останало - не взаимодействат с нищо по никакъв начин, освен чрез гравитацията (и евентуално слаба ядрена сила). Ние не виждаме това, но физиците са почти сигурни, че той съществува и как скулпторът извайва галактики по пътя си през пространството.

В продължение на много десетилетияпредпочитани кандидати за частици от тъмна материя са хипотетични скромни частици - WIMP (WIMP), или слабо взаимодействащи масивни частици. Много експерименти се опитват да намерят слабички в резултат на сблъсъка им с обикновената материя. При такъв сценарий слабият трябва да докосне атомното ядро ​​чрез слаба сила. Уплашеното ядро ​​отскача и излъчва енергия в някаква форма, светкавица или звукова вълна. Откриването на такива едва забележими явления изисква чувствителни инструменти, които обикновено се поставят дълбоко под земята. Това се дължи главно на факта, че инструментите ще бъдат защитени от космически лъчи, които също могат да причинят ядрени реакции.

След десетилетие на търсене на тези слаби сигнали,учените са открили почти нищо. И така, екип от физици от Полша, Швеция и САЩ предложи друга идея. Те вярват, че не трябва да гледате на германий, ксенон и сцинтилатори в детекторите под земната кора. Те вярват, че трябва да погледнете самата кора. В хрониките на скалите, където са записани и покрити със слоеве от историята на нашата слънчева система, бихме могли да намерим вкаменели записи на нарушени атомни ядра, замразени следи от WIMP.

„Винаги търсим алтернативни подходи“, казва Катрин Фрийс, теоретик-физик в Университета на Мичиган и разработчик на идеи, които са в основата на съществуващите детектори.

Подземният палео детектор ще работи по подобен начинсъвременни методи за директно откриване. Вместо да оборудва лаборатория с голям обем течност или метал, за да наблюдава мига в реално време, можете да търсите вкаменени следи от разбиване на WIMP в атомните ядра. Някои класове минерали могат да уловят такива следи.

Ако сърцевината отскача с достатъчно енергия, иако разрушените атоми са дълбоко под земята (за да се предпази пробата от космическите лъчи, които могат да заплитат данните), може да се спаси отскока. Ако е така, тогава учените могат да изкопаят камък, да го разглобяват по слоеве от време и да изследват минали събития с помощта на сложни нано-визуализационни техники, като микроскопия с атомна сила. Крайният резултат ще бъде вкаменена пътека: пътека с червеи по време на полет от хищник, само в терминологията на тъмната материя.

Малки стъпки

Преди пет години Фрийз започна да търси идеиНови видове детектори заедно с Анджей Друкиер, физик от Стокхолмския университет, който започна кариерата си с изследването на откриването на тъмна материя, преди да влезе в биофизиката. Една от техните идеи, разработена съвместно с биолог Джордж Църква, се отнася до детектори за тъмна материя, основани на ДНК и ензимни реакции.

През 2015 г. Drukier отиде на руснакаНовосибирск, за работа по прототип на биологичен детектор, който ще бъде поставен под земната повърхност. В Русия той е научил за изкопаните кладенци по време на Студената война, някои от които са на 12 километра надолу. Космическите лъчи не могат да проникнат толкова далеч. Друкиер беше заинтригуван.

Конвенционалните детектори за тъмна материя са относителноголеми и много чувствителни към внезапни събития. Те извършват своите търсения в продължение на няколко години, но в по-голямата си част търсят WIMP сигнали в реално време. Минералите, макар и относително малки и по-малко чувствителни към взаимодействия, могат да олицетворяват търсенето, което е продължило стотици милиони години.

- Тези парчета камък, извлечени от много, многодълбоки ядра, почти на милиард години ”, казва Друкиер. - Колкото по-дълбоко отиваш, толкова по-стари са те. Няма нужда да се изгражда детектор. Вече има детектор в земята. "

Но земята има своите проблеми. Планетата е пълна с радиоактивен уран, който произвежда неутрони, докато се разпада. Тези неутрони могат също да избиват ядра. Фриз казва, че оригиналната работа на учените, описващи палеодетектори, не е взела предвид шума, създаден от разпадането на урана, но много коментари от други заинтересовани учени ги принудили да се върнат и да преразгледат документа. Екипът прекара два месеца в изучаване на хиляди минерали, за да разбере кои от тях са изолирани от разпадането на уран. Те твърдят, че най-добрите палеодетектори ще се състоят от морски изпарители - по същество, каменна сол - или скали, съдържащи много малко силициев диоксид, наречени ултрабазични скали. Освен това те търсят минерали, които съдържат много водород, тъй като водородът ефективно блокира неутроните, получени от разпадането на урана.

Намирането на следи в почвата може да ни доведе до слаби слаби хора, казва Трейс Слатиър, физик-теоретик от Масачузетския технологичен институт, който не участва в изследванията.

"Вие търсите ядро, което изглежда без причинаскокове, но трябва да скочи определена сума, за да бъде забелязана. Ако топката за пинг-понг се сблъска с топка за боулинг, няма да забележите конкретно изместване на последната - освен ако не можете да регистрирате най-малката промяна в движението на топката за боулинг. "

Най-трудният експеримент

Работата в тази област няма да бъде лесна. Изследванията трябва да се извършват дълбоко под земята, където пробите от ядрото ще бъдат защитени от космическа и слънчева радиация. И за да се открият доказателства за ядки без костилки, ще са необходими съвременни нано-визуализационни техники.

Според Slatier, дори ако WIMP остави видимбелег, основният проблем на палео-детекторите ще бъде доказателство, че фосилните следи наистина са родени от частици от тъмна материя. Изследователите ще трябва да прекарат много време, за да се убедят, че взаимодействията с ядрата не са дело на неутрони, неутрино на слънцето, или нещо друго.

- Ще трябва да отидем доста дълбокозащита срещу космически лъчи. Но това не е лаборатория. Това не са контролирани условия. Може да не знаете пълната история на скалните отлагания. Дори и да намерите сигнал в тях, трябва да направите много повече работа, за да сте сигурни, че не виждате произход.

Drukier и Freese вярват, че силата на палео-детекториможе да е в цифри. Породата съдържа много минерали, всяка от които съдържа атомни ядра, които отскачат от мародерските слаби по различни начини. Следователно, различните елементи ще служат като различни детектори, но всички те ще бъдат затворени в една основна проба. В бъдеще, палеодетектора може дори да осигури записи на слабините навреме, точно както вкаменелостите дават възможност на палеонтолозите да възстановят историята на живота на Земята.

Според Slatier можеше да има дълга хроникада предложи уникален поглед на ореола на тъмната материя на Млечния път, облак от невидим материал, през който Земята плува, когато Слънчевата система се движи в орбита от 250 милиона години около центъра на галактиката. Разбирането на хало разпределението на тъмната материя в Млечния път може да даде представа за физическото му поведение, казва Slatier. Може би това също ще покаже дали тъмната материя може да взаимодейства по начини, които надхвърлят гравитацията.

- Тук е теорията и моделиранетоетапи на активно развитие ”, казва тя. "Ще намерим тъмна материя", пита Друикър. - Прекарах тридесет и пет години в търсене на нея. Може би това е най-трудният експеримент в света, така че може да не сме късметлии. Но е готино.

Мислите ли, че ще намерим някога? Кажете ни чат в Телеграма.