kutatás

A sötét anyag keresésének legjobb helye lehet a Föld belseje.

Közel két tucat földalatti laboratóriumA tudósok világszerte szétszórva, folyadékkádokkal vagy fém- és félvezetőkkel ellátva, sötét anyag nyomokat keresnek. Kísérleteik egyre nehezebbé válnak, és a keresés egyre pontosabbá válik, de eddig senki sem talált közvetlen bizonyítékot egy titokzatos anyag létezésére, amelynek 84% -a az Univerzumban található. Egy új tanulmány szerint a gyökérre, azaz még mélyebbre kell érni.

A sötét anyag különbözik a hétköznapi baryóniátólanyag - amelynek lényege a csillagok, galaxisok, kutyák, emberek és minden más -, amely semmilyen módon nem lép kölcsönhatásba semmilyen módon, kivéve a gravitáció (és talán gyenge nukleáris erő) révén. Ezt nem látjuk, de a fizikusok szinte biztosak abban, hogy létezik, és hogyan alakítja a szobrász a galaxisokat az űrben.

Sok évtizedea sötét anyag részecskéinek előnyben részesített jelöltjei a hipotetikus szerény részecskék - a WIMP-k (WIMP), vagy a gyengén kölcsönhatásban lévő masszív részecskék. Sok kísérlet arra törekszik, hogy a szokásos anyaggal való ütközésük után wimpset találjon. Ilyen forgatókönyv esetén a wimpnak meg kell érnie az atommagot egy gyenge erő révén. A megijedt mag visszapattan, és valamilyen formában energiát bocsát ki, a villanófény vagy a hanghullám. Az ilyen alig észrevehető jelenségek érzékelése érzékeny műszereket igényel, amelyeket általában mélyen a föld alá helyeznek. Ennek oka főként annak a ténynek köszönhető, hogy a műszerek a kozmikus sugaraktól védettek, ami nukleáris reakciókat is okozhat.

A gyenge jelek keresése után egy évtizedea tudósok szinte semmit sem találtak. Tehát egy lengyel, svéd és amerikai fizikusok egy másik ötletet javasoltak. Úgy vélik, hogy nem a germániumra, a xenonra és a szcintillátorokra kell figyelniük a földkéreg alatti detektorokban. Úgy vélik, hogy meg kell néznünk a nagyon héját. A sziklák krónikájában, ahol rögzítettük és naprendszerünk történetének rétegeit fedeztük fel, a megzavarott atommagok, a WIMP-k fagyasztott nyomai fosszilizált feljegyzéseit találtuk.

„Mindig alternatív megközelítéseket keresünk,” mondta Kathryn Friese, a Michigani Egyetem elméleti fizikusa és a meglévő érzékelők alapját képező ötletek fejlesztője.

A földalatti paleo detektor hasonlóan fog működnia közvetlen kimutatás modern módszerei. Ahelyett, hogy a laboratóriumot nagy mennyiségű folyadékkal vagy fémzel látná el a valós idejű WIMP villogásakor, kereshet a WIMP atomi atommagokba összeomlott nyomai. Az ásványi anyagok bizonyos osztályai megragadhatják az ilyen nyomokat.

Ha a mag elég energiával ugrál, ésha a zavaró atomok mélyen föld alatt vannak (hogy megvédjék a mintát a kozmikus sugaraktól, amelyek az adatokat összekeverhetik), a visszapattanó nyomkövetés menthető. Ha igen, akkor a tudósok feltárhatnak egy köveket, szétszerelhetik az időrétegeket, és a múltbeli eseményeket bonyolult nano-vizualizációs technikákkal, például atomi erő mikroszkópiával vizsgálhatják. A végeredmény a fosszilis ösvény lesz: a zauropod ösvénye a ragadozótól való repülés során, csak a sötét anyag terminológiája.

Apró lábnyomok

Körülbelül öt évvel ezelőtt Freese elkezdett ötleteket keresniÚj típusú detektorok, valamint Andrzej Drukier, a Stockholmi Egyetem fizikusa, aki pályafutását a sötét anyag felfedezésével kezdte, mielőtt elkezdené a biofizikát. A George Church együttesével közösen kidolgozott ötletük a DNS és az enzimreakciók alapjául szolgáló sötét anyag detektorokra vonatkozik.

2015-ben Drukier az oroszhoz mentNovosibirszk, a biológiai érzékelő prototípusának megmunkálására, amely a föld felszínére kerül. Oroszországban megtudta a hidegháború alatt fúrott kutakról, amelyek közül néhány 12 kilométerre csökken. A kozmikus sugarak eddig nem tudnak behatolni. Drukier érdekelte.

A hagyományos sötét anyagok detektorai viszonylagnagy és nagyon érzékeny a hirtelen eseményekre. Több éve végeznek keresést, de a legtöbb esetben WIMP jeleket keresnek valós időben. Az ásványi anyagok, bár viszonylag kicsiek és kevésbé érzékenyek az interakciókra, több százmillió évig tartó keresést is tartalmazhatnak.

"Ezek a sziklák, nagyon, nagyonmély magok, közel egy milliárd éves ”- mondja Drukier. - Minél mélyebb leszel, annál idősebbek. Nincs szükség detektor építésére. Már van egy érzékelő a földön.

De a földnek problémái vannak. A bolygó tele van radioaktív uránnal, amely lebomlásakor neutronokat termel. Ezek a neutronok is kiüthetik a magokat. Frieze szerint a paleo-detektorokat leíró tudósok eredeti munkája nem vette figyelembe az urán bomlása által okozott zajt, de más érdeklődő tudósok sok észrevétele arra kényszerítette őket, hogy visszatérjenek és felülvizsgálják a dokumentumot. A csapat két hónapot töltött több ezer ásványi anyag tanulmányozásával annak érdekében, hogy megértse, hogy melyik az izolált az urán bomlásából. Azt állítják, hogy a legjobb paleo-detektorok a tengeri elpárolgásokból állnak - lényegében a sziklás sóból - vagy a nagyon kis szilícium-dioxidot tartalmazó sziklákból, amelyeket ultraszabás szikláknak neveznek. Emellett olyan ásványi anyagokat keresnek, amelyek sok hidrogént tartalmaznak, mivel a hidrogén hatékonyan gátolja az urán bomlása által termelt neutronokat.

A talajban lévő nyomok megtalálásához vezethetünk az alacsony tömegű wimps-hez, mondta Trace Slatier, a Massachusetts Institute of Technology elméleti fizikusa, aki nem vett részt a kutatásban.

"Olyan kernelt keres, amely úgy tűnik, nincs okugrik, de el kell ugrania egy bizonyos összeget, amit észrevehet. Ha egy ping-pong labda összeütközik a bowling golyóval, akkor nem fogja észrevenni az utóbbi különleges elmozdulását - hacsak nem regisztrálhatja a legkisebb változást a bowlinggolyó mozgásában.

A legnehezebb kísérlet

A területen végzett munka nem lesz könnyű. A kutatást mély föld alatt kell elvégezni, ahol a magmintákat a kozmikus és a napsugárzás ellen védjük. És a kimutatott magok bizonyítékainak felderítéséhez modern nano-vizualizációs technikákra lesz szükség.

Slatier szerint, még akkor is, ha a WIMP láthatóheg, a paleo-detektorok fő problémája bizonyítani fogja, hogy a fosszilis nyomok valóban sötét anyag részecskékből születnek. A kutatóknak sok időt kell költeniük arra, hogy meggyőzzék magukat arról, hogy a magokkal való kölcsönhatások nem a neutronok, a nap neutrínói, vagy valami más.

- Elég mélyre kell mennünkvédje a kozmikus sugarak ellen. De ez nem laboratórium. Ezek nem szabályozott feltételek. Lehet, hogy nem ismeri a kőzetbetétek teljes történetét. Még ha jelet is találsz benne, sokkal többet kell tenned, hogy megbizonyosodjon arról, hogy nem lát hátteret.

Drukier és Freese úgy vélik, hogy a paleo-detektorok hatalmalehetnek számok. A fajta sok ásványi anyagot tartalmaz, amelyek mindegyike atommagokat tartalmaz, amelyek különböző módokon ugrálnak le a nyálkás wimszeket. Ezért a különböző elemek különböző érzékelőkként szolgálnak, de mindegyikük egy magmintába kerül. A jövőben a paleodetektor akár az idő múlásával is adhatta a wimps feljegyzéseit, ahogy a fosszíliák lehetővé teszik a paleontológusok számára, hogy rekonstruálják a Föld történetét.

Slatier szerint egy hosszú krónika lehetettegyedülálló kilátás nyílik a Tejút sötét anyagának halójára, a láthatatlan anyag felhőjére, amelyen keresztül a Föld úszik, amikor a naprendszer 250 millió éves pályán mozog a galaxis közepén. A Tejút sötét anyagának halogén eloszlásának megértése betekintést nyújt a fizikai viselkedésébe, mondja Slatier. Talán megmutatja, hogy a sötét anyag kölcsönhatásba lép-e a gravitáción túlmutató módon.

"Itt van az elmélet és a modellezésaz aktív fejlődés szakaszai ”- mondja. "Találunk sötét anyagot" - kérdezi Drukier. - Harmincöt évet töltöttem, hogy keressem. Ez talán a világ legbonyolultabb kísérlete, így nem lehet szerencsés. De ez jó.

Gondoljunk valamikor? Mondd el a miénk chat a telegramban.