Dark Matter Hunters Ser Inside Rocks for nye ledetråder


I nesten to dusin underjordiske laboratorier spredt over hele jorden, ved hjelp av væsker av væske eller blokker av metall og halvledere, er forskere på jakt etter bevis på mørk materie. Deres eksperimenter blir mer kompliserte, og søket blir mer presist, men bortsett fra et mye omstridt signal som kommer fra et laboratorium i Italia, har ingen funnet direkte bevis på det mystiske materialet som antas å utgjøre 84 prosent av saken i universet.

En ny studie tyder på at vi skal se dypere ut.

Quanta Magazine


forfatterfoto

Handle om

Originalhistorie utgitt med tillatelse fra Quanta Magazine, en redaksjonelt uavhengig publikasjon av Simons Foundation, som har til formål å styrke den offentlige forståelsen av vitenskapen ved å dekke utviklingsutvikling og trender innen matematikk og fysikk og biovitenskap.

Mørk materie er forskjellig fra vanlig, baryonisk materie – ting som gjør stjerner, galakser, hunder, mennesker og alt annet – ved at det ikke samhandler med noe annet enn gjennom tyngdekraft (og kanskje den svake atomkraft). Vi kan ikke se det, men fysikere er alle, men sikkert det er der, skulpturelle galakser og deres veier gjennom kosmos.

I mange tiår har de favoriserte kandidatene til mørke materiepartikler vært hypotetiske sjenert ting kalt svakt samvirkende massive partikler eller WIMPs. Mange eksperimenter søker etter dem ved å lete etter bevis på at en WIMP har kommet og banket regelmessig saken rundt. I dette scenariet ville en WIMP trykke på en atomkjerne via den svake kraften. Den skremte kjernen vil da rekylere og avgi noen form for energi, for eksempel en lysstråle eller en lydbølge. Oppdager slike knapt merkbare fenomen krever sensitive instrumenter, vanligvis begravet dypt under jorden. Dette er for det meste slik at instrumentene er skjermet fra farlige kosmiske stråler, som også kan forårsake kjernekontroll.

Etter å ha søkt etter disse svake pingene i flere tiår, har forskere lite bevis for å vise det. Nå har et lag fysikere i Polen, Sverige og USA en annen ide. Se ikke til germanium og xenon og scintillatorene i detektorer begravet under jordskorpen, argumenterer de: Se til planetenes skorpe selv. I bergrekordet, hvor historier om solsystemets fortid lå begravet, kan vi finne den fossile rekylen av oppstartede atomkjerner, de frosne fotsporene til en WIMP.

"Vi roser alltid for alternative måter å gjøre ting på," sa Katherine Freese, en teoretisk fysiker ved University of Michigan og arkitekten av ideene bak noen av de eksisterende detektorer i drift.

Katherine Freese har utviklet en rekke ideer til mørke materielle detektorer. Noen av hennes ideer har blitt omgjort til eksperimenter.

En underjordisk paleo-detektor ville fungere på en måte som ligner på nåværende direkte deteksjonsmetoder, ifølge Freese og hennes kolleger. I stedet for å utstyre et laboratorium med et stort volum væske eller metall for å observere WIMP-rekyler i sanntid, ville de se etter fossile spor av WIMPs som slår seg til atomkjerner. Som kjernekontroll, ville de forlate skadespor i noen klasser av mineraler.
Hvis kjernen recoils med nok kraft, og hvis atomene som er forstyrret blir så begravet dypt i jorden (for å skjerme prøven fra kosmiske stråler som kan gjørme dataene), så kan rekylsporet bevares. Hvis det er tilfelle, kan forskerne kunne grave opp fjellet, skille seg bort lag av tid, og undersøke hendelsen for lenge siden ved hjelp av sofistikerte nano-imaging teknikker som atomkraftmikroskopi. Sluttresultatet ville være et fossilt spor: den mørke materie motparten for å finne en sauropods fotavtrykk da den fled en rovdyr.

Små kraner

For rundt fem år siden startet Freese rundt ideer for nye detektortyper med Andrzej Drukier, en fysiker nå ved Stockholms Universitet, som begynte sin karriere som studerte mørk materiell deteksjon før han drepte til biofysikk. En av deres ideer, utformet sammen med biologen George Church, involverte mørke saksdetektorer basert på DNA- og enzymreaksjoner.

I 2015 reiste Drukier til Novosibirsk, Russland, for å jobbe med en prototype biologisk detektor som ble plassert under jordens overflate. I Russland lærte han om borehull som ble boret under den kalde krigen, hvorav noen nå 12 kilometer ned. Ingen kosmiske stråler kan trenge så langt. Drukier var fascinert.

Typiske mørke materielle detektorer er relativt store og svært følsomme for plutselige hendelser. De utfører sine søk over flere år, men for det meste leter de etter real-time WIMP kraner. Mineraler, mens de er relativt små og mindre følsomme for WIMP-interaksjoner, kan representere et søk som foregår i hundrevis av millioner av år.

"Disse klumpene av bergarter, fjernet fra de svært dype kjernene, er faktisk en milliard år gammel," sa Drukier. "Jo dypere du går, jo eldre er det. Så plutselig trenger du ikke å bygge en detektor. Du har en detektor i bakken. "

Jorden har sine egne problemer. Planeten er full av radioaktivt uran, som produserer nøytroner som det faller ned. De nøytronene kan også slå kjerner rundt. Freese sa at lagets første papir som beskriver paleo-detektorer, ikke utgjorde lyden som ble medvirket av uranforfall, men en rekke kommentarer fra andre interesserte forskere gjorde at de gikk tilbake og revidert. Laget brukte to måneder på å studere tusenvis av mineraler for å forstå hvilke som er isolert fra uranforfall. De hevder at de beste paleo-detektorer vil bestå av marine fordampninger – i utgangspunktet bergsalt – eller i bergarter som inneholder svært lite kiselium, som kalles ultrabasiske bergarter. I tillegg ser de etter mineraler som har mye hydrogen, siden hydrogen effektivt blokkerer nøytronene som kommer fra uranforfall.

Halit, mer kjent som rock salt, er en ultrabasisk stein som potensielt kan brukes som en mørk materiell detektor.

Søke etter fossile rekyler kan være en god måte å søke etter lavmasse WIMPs, sa Tracy Slatyer, en teoretisk fysiker ved Massachusetts Institute of Technology som ikke var involvert i forskningen.

"Du leter etter at en kjernen hopper for tilsynelatende ingen grunn, men det må hoppe med et visst beløp for at du skal kunne se det. Hvis jeg spretter en Ping-Pong-ball av en bowlingkule, vil vi ikke se bowlingkulen flytte veldig mye – eller du vil bedre kunne oppdage ganske små endringer i bevegelsen av bowlingkulen din, sa hun . "Dette er en ny måte å gjøre det på."

Det vanskeligste forsøket

Feltarbeidet involvert ville ikke være lett. Forskning må finne sted dypt under jorden, hvor kjerneprøvene vil bli beskyttet mot kosmisk og solstråling. Og toppmoderne nano-bildebehandling vil bli nødvendig for å løse bevis på kjerneknude.
Selv om WIMPs etterlater en observerbar arr, vil hovedspørsmålet for paleo-detektorer være å sikre at de fossile sporene virkelig kommer fra mørke partikkelpartikler, sier Slatyer. Forskere må tilbringe mye tid på å overbevise seg selv om tilbakekallingen er ikke nøytronenes, neutrinoer fra solen eller noe annet, sa hun.

"De gjør et godt tilfelle at du kan gå ganske dypt for å skjerme fra kosmiske stråler," sa hun, "men dette er ikke et kontrollert system. Dette er ikke et laboratorium. Du kan ikke vite historien til disse bergdekkene veldig bra. Selv om du hevdet et signal fra det, ville du måtte gjøre mye mer arbeid for å være virkelig overbevist om at du ikke så noen form for bakgrunn. "

Drukier og Freese sa begge paleo-detektorerens styrke kan ligge i tall. En stein inneholder mengder mineraler, hver med atomkjerner som vil motta fra en marauding WIMP på forskjellige måter. Ulike elementer vil derfor fungere som forskjellige detektorer, alt innpakket i en kjerneprøve. Dette ville tillate eksperimentellere å se et spekter av rekyler, bekrefter deres bevis og potensielt tillate dem å trekke konklusjoner om WIMP-massen, sa Freese. I fremtiden kan en paleo-detektor til og med gi en WIMP-post gjennom tiden, akkurat som den fossile posten gjør det mulig for paleontologer å rekonstruere livets historie på Jorden.

Til Slatyer kunne den lange posten tilby en unik sonde av Melkveiens mørke materiehalo, skyen av usynlig materiale som jorden svømmer gjennom, ettersom solsystemet gjør sin 250-millionårige bane rundt midt i galaksen. Å forstå hvordan Milky Way's dark matter halo er distribuert kunne gi innsikt i sin fysiske oppførsel, sa Slatyer. Det kan til og med vise om mørk materie interagerer med seg selv på måter som går utover tyngdekraften.

"Dette er et sted hvor teorien og modelleringen fortsatt er i svært aktiv utvikling," sa hun.

Det er imidlertid langt fra virkeligheten. Freese og Drukier sier at en paleo-detektor med prinsippet om prinsippet først skulle vise at det kan finne rekylspor igjen av kjente partikler som solnutriner. Da må de bevise at de kan isolere WIMP stier fra disse vanlige rekylene.

"Det er en stor endring i perspektivet," sa Drukier. "Vil vi finne mørkt materiale? Jeg har brukt 35 år på jakt etter det. Dette er trolig det vanskeligste eksperimentet i verden, så vi kan ikke være heldige. Men det er kult. "

Originalhistorie utgitt med tillatelse fra Quanta Magazine, en redaksjonelt uavhengig publikasjon av Simons Foundation, som har til formål å styrke den offentlige forståelsen av vitenskapen ved å dekke utviklingsutvikling og trender innen matematikk og fysikk og biovitenskap.


Flere flotte WIRED-historier