tutkimus

Paras paikka etsiä pimeää ainetta voi olla maapallon suolisto.

Lähes kaksi tusinaa maanalaisia ​​laboratorioitaTutkijat hajallaan ympäri maailmaa, joissa on nestettä tai metalli- ja puolijohdekappaleita, ja tutkijat etsivät pimeän aineen jälkiä. Heidän kokeilunsa ovat yhä vaikeampia, ja haku on tulossa tarkemmaksi, mutta toistaiseksi kukaan ei ole löytänyt suoraa näyttöä salaperäisen aineen olemassaolosta, josta 84% kaikista maailmankaikkeudesta on tehty. Uuden tutkimuksen mukaan meidän täytyy kypsyä juuri, eli vielä syvemmälle.

Tumma aine eroaa tavallisesta baryonistaasia - jonka sisältö tähtiä, galakseja, koiria, ihmisiä ja kaikkea muuta - ei vaikuta millään tavalla millään tavalla, paitsi painovoiman (ja mahdollisesti heikon ydinvoiman) kautta. Emme näe tätä, mutta fyysikot ovat lähes varmoja siitä, että se on olemassa ja miten kuvanveistäjä veistää galaksit matkalla avaruuteen.

Useita vuosikymmeniäedulliset ehdokkaat tumman aineksen hiukkasille olivat hypoteettisia vaatimattomia hiukkasia - WIMP: itä (WIMP) tai heikosti vuorovaikutteisia massiivisia hiukkasia. Monet kokeilut yrittävät löytää wimpeja niiden törmäyksen jälkeen tavalliseen aineeseen. Tällaisessa tilanteessa wimpin pitäisi koskettaa atomin ydintä heikon voiman kautta. Peloissaan ydin palaa pois ja säteilee energiaa jossain muodossa, valon salamaa tai ääniaalloa. Tällaisen tuskin havaittavissa olevien ilmiöiden havaitseminen vaatii arkaluonteisia instrumentteja, jotka yleensä asetetaan syvälle maan alle. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että instrumentit suojataan kosmisen säteiltä, ​​mikä voi myös aiheuttaa ydinreaktioita.

Näiden heikkojen signaalien etsimisen jälkeentiedemiehet ovat löytäneet melkein mitään. Ja niinpä Puolan, Ruotsin ja Yhdysvaltojen fyysikkaryhmä ehdotti uutta ajatusta. He uskovat, että sinun ei tarvitse katsoa germaniumia, ksenonia ja scintillaattoreita maan kuoren alla olevissa ilmaisimissa. He uskovat, että sinun täytyy katsoa hyvin kuori. Kivien aikakirjoissa, joissa ne on tallennettu ja peitetty aurinkokuntamme historian kerroksilla, voisimme löytää fossiilisia tietueita häiriöistä atomiytimistä, jäädytetyistä WIMP-jälkeistä.

"Etsimme aina vaihtoehtoisia lähestymistapoja", sanoo Michiganin yliopiston teoreettinen fyysikko Kathryn Friese ja nykyisten ilmaisimien perustana olevien ideoiden kehittäjä.

Maanalainen paleoilmaisin toimii samalla tavallanykyaikaiset suoran havaitsemisen menetelmät. Sen sijaan, että laboratorio varustettaisiin suurella määrällä nestettä tai metallia reaaliaikaisen WIMP-merkkivalon tarkkailemiseksi, voit etsiä fossiilisia WIMP-jälkiä, jotka kaatuvat atomitukeiksi. Joissakin mineraaliluokissa voi olla tällaisia ​​jälkiä.

Jos ydin palaa riittävän energiaa jajos häiriintynyt atomi on sitten syvällä maan alla (näytteen suojaamiseksi kosmisilta säteiltä, ​​jotka voivat tarttua tietoihin), rebound-jälki voidaan tallentaa. Jos näin on, niin tiedemiehet voivat paljastaa kiven, purkaa sen kerroksittain ja tutkia menneitä tapahtumia käyttämällä kehittyneitä nano-visualisointitekniikoita, kuten atomivoimamikroskopiaa. Lopputuloksena tulee olemaan fossiilinen polku: matonkara polku sen aikana lentäjältä, vain pimeän aineen terminologiassa.

Pienet jalanjäljet

Noin viisi vuotta sitten Freese alkoi etsiä ideoitaUudentyyppiset ilmaisimet yhdessä Tukholman yliopiston fyysikon Andrzej Drukierin kanssa, joka aloitti uransa tutkimalla tummia aineita, ennen kuin meni biofysiikkaan. Yksi heidän ideoistaan, jotka kehitettiin yhdessä biologin George Churchin kanssa, koskivat DNA: n ja entsyymireaktioihin perustuvia tummia aineita.

Vuonna 2015 Drukier meni venäläiseenNovosibirsk, työskentelemään prototyypin biologisessa ilmaisimessa, joka sijoitetaan maanpinnan alle. Venäjällä hän oppi kylmän sodan aikana porattuihin kaivoihin, joista osa on 12 km. Mikään kosminen säde ei voi tunkeutua tähän. Drukier oli kiinnostunut.

Tavanomaiset tumman aineen ilmaisimet ovat suhteellisensuuri ja erittäin herkkä äkillisille tapahtumille. He ovat etsineet hakujaan useita vuosia, mutta he etsivät suurelta osin WIMP-signaaleja reaaliajassa. Kivennäisaineet, jotka ovat suhteellisen pieniä ja vähemmän herkkiä vuorovaikutuksille, voivat hahmottaa satoja miljoonia vuosia kestäneen haun.

"Nämä kivikappaleet, jotka on otettu hyvin, hyvinsyvä ytimet, lähes miljardi vuotta vanha ”, Drukier sanoo. ”Mitä syvempää olet, sitä vanhemmat he ovat. Ilmaisinta ei tarvitse rakentaa. Maassa on jo ilmaisin. ”

Mutta maalla on ongelmia. Planeetta on täynnä radioaktiivista uraania, joka tuottaa neutroneja, kun se hajoaa. Nämä neutronit voivat myös pudottaa ytimet. Frieze sanoo, että paleo-ilmaisimia kuvaavien tutkijoiden alkuperäisessä teoksessa ei otettu huomioon uraanin hajoamisen aiheuttamaa melua, mutta monet muiden kiinnostuneiden tutkijoiden kommentit pakottivat heidät palaamaan ja tarkistamaan asiakirjaa. Ryhmä vietti kaksi kuukautta opiskelemaan tuhansia mineraaleja, jotta he voisivat ymmärtää, mitkä niistä on eristetty uraanin hajoamisesta. He väittävät, että parhaat paleoilmaisimet koostuvat meren haihtuvista aineista - pohjimmiltaan kivisuolasta - tai kivistä, jotka sisältävät hyvin vähän piidioksidia, nimeltään ultrabasic rocks. Lisäksi he etsivät mineraaleja, jotka sisältävät paljon vetyä, koska vety estää tehokkaasti uraanin hajoamisen tuottamat neutronit.

Jälkien löytäminen maaperässä voi johtaa meidät matalamassavaiheisiin, sanoo Trace Slatier, Massachusettsin teknillisen instituutin teoreettinen fyysikko, joka ei osallistunut tutkimukseen.

"Etsit ytimen, joka näyttää olevan syytähyppää, mutta sen täytyy hypätä tietty määrä huomataksesi. Jos pingispallo törmää keilahalloon, et huomaa jälkimmäisen erityistä siirtymää - ellei voit rekisteröidä pienintä muutosta keilapallon liikkeessä. "

Vaikein kokeilu

Työ kentällä ei ole helppoa. Tutkimus on suoritettava syvälle maan alle, jossa ytimenäytteet suojataan kosmisen ja aurinkosäteilyn varalta. Ja havaitsemaan todisteita kyvetyistä ytimistä tarvitaan nykyaikaisia ​​nano-visualisointitekniikoita.

Slatierin mukaan, vaikka WIMP lähtee näkyviinarpi, paleopoikkureiden pääasiallinen ongelma on todiste siitä, että fossiiliset jäljet ​​ovat todella synnyttäneet pimeän aineen hiukkasista. Tutkijoiden on käytettävä paljon aikaa vakuuttamaan itsensä siitä, että vuorovaikutus ytimien kanssa ei ole neutronien, auringon neutriinojen tai muun toiminnan.

"Meidän täytyy mennä melko syvällesuojaa kosmisia säteitä vastaan. Mutta tämä ei ole laboratorio. Nämä eivät ole kontrolloituja olosuhteita. Et ehkä tiedä rock-talletusten täydellistä historiaa. Vaikka saatte heille signaalin, sinun täytyy tehdä paljon enemmän työtä varmistaaksesi, että et näe taustaa.

Drukier ja Freese uskovat, että paleo-ilmaisinten tehovoi olla numeroita. Rotu sisältää monia kivennäisaineita, joista jokainen sisältää atomiytimiä, jotka hyökkäävät erimielisistä wimpeistä eri tavoin. Siksi eri osatekijät toimivat eri ilmaisimina, mutta ne kaikki on suljettu yhteen ytimenäytteeseen. Tulevaisuudessa paleodetektori voisi jopa antaa aikakirjoja wimpeista, aivan kuten fossiilit sallivat paleontologien rekonstruoida elämänhistorian maan päällä.

Slatierin mukaan pitkä kronikko voisitarjota ainutlaatuinen näkymä Linnunradan tumman aineen halosta, näkymättömän materiaalin pilvestä, jonka kautta Maa ui, kun aurinkokunta liikkuu 250 miljoonan vuoden kiertoradalla galaksin keskellä. Pimeän aineen halogeenijakauman ymmärtäminen Linnunradassa voi antaa tietoa sen fyysisestä käyttäytymisestä, Slatier sanoo. Ehkä se osoittaa myös, voiko tumma aine olla vuorovaikutuksessa painovoiman ylittävillä tavoilla.

"Tässä on teoria ja mallinnusaktiivisen kehityksen vaiheet ”, hän sanoo. "Löysimmekö pimeää ainetta", kysyy Drukier. ”Vietin kolmekymmentäviisi vuotta etsiessään häntä. Tämä on luultavasti kaikkein monimutkaisin kokeilu maailmassa, joten emme ehkä onnistu. Mutta se on viileä.

Ajattele löydämme joskus? Kerro meille keskustele viestissä.

Facebook -ilmoitus EU: lle! Sinun täytyy kirjautua sisään nähdäksesi ja julkaistaksesi FB -kommentteja!