Forskning

Det bedste sted at søge efter mørkt stof kan være jordens indre.

Næsten to dusin underjordiske laboratorierSpredt rundt om i verden, der er fyldt med væsker af væsker eller blokke af metal og halvledere, søger forskere spor af mørkt stof. Deres eksperimenter bliver mere og mere vanskelige, og søgningen bliver mere præcis, men indtil videre har ingen fundet direkte beviser for eksistensen af ​​et mystisk stof, hvoraf 84% af alt materie i universet er lavet. Ifølge en ny undersøgelse skal vi modne til roden, det vil sige endnu dybere.

Mørket materiale er forskelligt fra almindelig baryonmaterie som stoffet, stjernerne, galakserne, hundene, folkene og alt andet - der ikke interagerer med noget på nogen måde, undtagen gennem tyngdekraften (og muligvis en svag atomkraft). Vi kan ikke se dette, men fysikere er næsten sikre på, at det eksisterer, og hvordan billedhuggeren sculpts galakser på vej gennem rummet.

I mange årtierforetrukne kandidater til mørke stofpartikler var hypotetiske beskedne partikler - WIMP'er (WIMP) eller svagt interaktive massive partikler. Mange forsøg forsøger at finde wimps i kølvandet på deres kollision med almindeligt materiale. I et sådant scenario bør wimp berøre atomkernen gennem en svag kraft. Den skræmte kerne springer ud og udsender energi i en eller anden form, en lysstråle eller en lydbølge. Påvisning af sådanne næppe mærkbare fænomener kræver følsomme instrumenter, der sædvanligvis lægges dybt under jorden. Dette skyldes hovedsagelig, at instrumenterne vil blive beskyttet mod kosmiske stråler, hvilket også kan forårsage kernereaktioner.

Efter et årti efter at søge efter disse svage signaler,forskere har fundet næsten ingenting. Og så har et hold fysikere fra Polen, Sverige og USA foreslået en anden ide. De mener, at du ikke behøver at se på germanium, xenon og scintillatorer i detektorerne under jordskorpen. De tror at du skal kigge på selve skorstenen. I kronekronikkerne, hvor de er optaget og dækket af lag af vores solsystems historie, kunne vi finde fossile poster af forstyrrede atomkerner, frosne spor af WIMP'er.

"Vi søger altid alternative tilgange," sagde Kathryn Friese, en teoretisk fysiker ved University of Michigan og udvikleren af ​​de ideer, der dannede grundlaget for eksisterende detektorer.

Undergrunds paleo detektor vil fungere på samme mådemoderne metoder til direkte detektion. I stedet for at udstyre et laboratorium med et stort volumen væske eller metal for at observere realtids WIMP-blink, kan du søge efter fossile spor af WIMP, der styrter i atomkerner. Nogle klasser af mineraler kunne fange sådanne spor.

Hvis kernen springer af med tilstrækkelig energi, oghvis de perturbed atomer er så dybt underjordiske (for at beskytte prøven fra kosmiske stråler, som kan forstyrre data), kan rebound sporet blive gemt. Hvis så er tilfældet, kan forskere afvinde en sten, demontere den i lag af tid og undersøge tidligere begivenheder ved hjælp af sofistikerede nano-visualiseringsteknikker, såsom atomkraftmikroskopi. Slutresultatet vil være et fossilt spor: et ormestien under flyvningen fra en rovdyr, kun i den mørke materiens terminologi.

Små fodspor

For cirka fem år siden begyndte Freese at søge ideer tilNye typer detektorer sammen med Andrzej Drukier, en fysiker fra Stockholms Universitet, der begyndte sin karriere med at studere mørk materielopdagelse, inden han optog biofysik. Et af deres ideer, udviklet sammen med biolog George Church, vedrørte mørke stofdetektorer baseret på DNA- og enzymreaktioner.

I 2015 gik drukier til russerneNovosibirsk, at arbejde på en prototype biologisk detektor, som vil blive placeret under jordens overflade. I Rusland lærte han om brønde boret under den kolde krig, hvoraf nogle går 12 kilometer ned. Ingen kosmiske stråler kan trænge ind i dette langt. Drukier var fascineret.

Konventionelle mørke materiel detektorer er relativtstore og meget følsomme for pludselige begivenheder. De har gennemført deres søgninger i flere år, men for det meste søger de WIMP signaler i realtid. Mineraler, selv om de er relativt små og mindre følsomme for interaktioner, kan personificere en søgning, der varede i hundredvis af millioner af år.

"Disse stykker af sten, ekstraheret fra meget, megetdybe kerner, næsten en milliard år gammel, "siger Drukier. "Jo dybere du går, jo ældre er de. Ingen grund til at opbygge en detektor. Der er allerede en detektor i jorden. "

Men jorden har sine problemer. Planeten er fuld af radioaktivt uran, som producerer neutroner, da det nedbrydes. Disse neutroner kan også banke ud kerner. Frieze siger, at det originale arbejde af forskere, der beskriver paleo-detektorer, ikke tog højde for den støj, der er opstået ved forfaldet af uran, men mange kommentarer fra andre interesserede forskere tvang dem til at vende tilbage og revidere dokumentet. Holdet brugte to måneder på at studere tusindvis af mineraler for at forstå, hvilke af dem der er isoleret fra forfaldet af uran. De hævder, at de bedste paleo-detektorer vil bestå af marine fordampninger - hovedsageligt rocksalt - eller sten, der indeholder meget lidt silica, kaldet ultrabasiske stenarter. Desuden er de på udkig efter mineraler, der indeholder en masse brint, da hydrogen bringer effektivt neutroner, der er produceret ved nedbrydning af uran.

At finde spor i jorden kan føre os til lavmasse wimps, siger Trace Slatier, en teoretisk fysiker ved Massachusetts Institute of Technology, som ikke deltog i forskning.

"Du leder efter en kerne, der synes at være uden grundhopper, men det skal hoppe en vis mængde at blive bemærket. Hvis en ping-pong bold kolliderer med en bowlingkugle, vil du ikke mærke en bestemt forskydning af sidstnævnte - medmindre du kan registrere den mindste ændring i bowlingkuglens bevægelse. "

Det sværeste eksperiment

Arbejde i marken vil ikke være let. Forskning skal udføres dybt under jorden, hvor kerneprøver bliver beskyttet mod kosmisk og solstråling. Og for at detektere beviser for pitted kerner, vil moderne nano-visualiseringsteknikker blive påkrævet.

Ifølge Slatier, selvom WIMP forlader synligar, det vigtigste problem med paleo-detektorer vil være et bevis på, at fossile spor virkelig er født af mørke stofpartikler. Forskere bliver nødt til at bruge meget tid på at overbevise sig selv om, at interaktioner med kerner ikke er neutrons arbejde, solens neutrinoer eller noget andet.

"Vi bliver nødt til at gå ganske dybt tilBeskyt mod kosmiske stråler. Men dette er ikke et laboratorium. Disse er ikke kontrollerede forhold. Du kan muligvis ikke vide den komplette historie af rock indskud. Selv hvis du finder et signal i dem, skal du gøre meget mere for at sikre, at du ikke ser nogen baggrund. "

Drukier og Freese tror på kraften i paleo-detektorerkan være i tal. Racen indeholder mange mineraler, der hver indeholder atomkerner, der afviger af marauding wimps på forskellige måder. Derfor vil forskellige elementer fungere som forskellige detektorer, men alle vil blive omsluttet i en kerneprøve. I fremtiden kunne paleodetektoren endda give rekord af wimps i tide, ligesom fossiler tillader paleontologer at rekonstruere livets historie på Jorden.

Ifølge Slatier kunne en lang krønikeat tilbyde en unik udsigt over Milky Way mørke stof halo, en sky af usynligt materiale, hvorigennem jorden svømmer, når solsystemet bevæger sig i en omløb på 250 millioner år rundt midt i galaksen. Forståelse af halofordelingen af ​​mørk stof i Mælkevejen kan give en ide om dens fysiske adfærd, siger Slatier. Måske vil det også vise, om mørkt materiale kan interagere på måder der går ud over tyngdekraften.

"Det er her, at teori og modellering er istadier af aktiv udvikling, "siger hun. "Vil vi finde mørkt materiale," spørger Drukier. "Jeg tilbragte 30 år på udkig efter hende. Måske er dette det sværeste eksperiment i verden, så vi kan ikke være heldige. Men det er cool. "

Tror vi, vi finder en gang? Fortæl os vores chat i telegram.