Охотники за темной материей ищут в скалах новые подсказки


Почти в два дюжина подземных лабораторий, разбросанных по всей земле, используя чаны с жидкостью или металлические блоки и полупроводники, ученые ищут доказательства темной материи. Их эксперименты усложняются, а поиск становится все более точным, но, несмотря на столь оспариваемый сигнал, исходящий из итальянской лаборатории, никто не нашел прямых доказательств таинственного материала, который, как считается, составляет 84 процента от всего этого. во вселенной.

Новое исследование предполагает, что мы должны смотреть глубже.

Quanta Magazine


фото автора

Около

Оригинальная история перепечатана с разрешения Quanta Magazine, независимой от редакции публикации Simons Foundation, миссия которой заключается в улучшении общественного понимания науки путем освещения научных разработок и тенденций в области математики, физических и естественных наук.

Темная материя отличается от обычной барионной материи – материала, из которого состоят звезды, галактики, собаки, люди и все остальное – тем, что она не взаимодействует ни с чем, кроме как через гравитацию (и, возможно, слабую ядерную силу). Мы этого не видим, но физики почти уверены, что он там, лепит галактики и их пути через космос.

В течение многих десятилетий предпочтительными кандидатами на частицы темной материи были гипотетические робкие вещи, называемые слабо взаимодействующими массивными частицами, или WIMP. Многие эксперименты ищут их, ища доказательства того, что WIMP пришел и разбрел вокруг себя. В этом сценарии WIMP будет использовать атомное ядро ​​через слабую силу. В таком случае испуганное ядро ​​отскакивает и испускает некоторую форму энергии, такую ​​как вспышка света или звуковая волна. Обнаружение таких едва заметных явлений требует чувствительных инструментов, обычно скрытых глубоко под землей. В основном это происходит потому, что инструменты защищены от своенравных космических лучей, которые также могут вызвать отдачу ядер.

После поисков этих слабых сигналов в течение десятилетий, ученые имеют мало веских доказательств, чтобы показать это. Теперь команда физиков в Польше, Швеции и США имеет другую идею. Не смотрите на германий, ксенон и сцинтилляторы в детекторах, похороненных под земной корой, они утверждают: посмотрите на саму планету. В каменном альбоме, где похоронены истории о прошлом нашей солнечной системы, мы можем обнаружить окаменелую отдачу испуганных атомных ядер, замороженные следы WIMP.

«Мы всегда ищем альтернативные способы ведения дел», – сказала Кэтрин Фриз, физик-теоретик из Мичиганского университета и разработчик идей, лежащих в основе существующих детекторов.

Кэтрин Фриз разработала ряд идей для детекторов темной материи. Некоторые из ее идей были превращены в эксперименты.

По словам Фриз и ее коллег, подземный палеодетектор будет работать аналогично современным методам прямого обнаружения. Вместо этого, оснащая лабораторию большим объемом жидкости или металла для наблюдения за отдачей WIMP в реальном времени, они искали бы окаменелые следы WIMP, врезающиеся в атомные ядра. По мере отдачи ядер они оставляли следы повреждения в некоторых классах минералов.
Если ядро ​​отскакивает с достаточной энергией, и если возмущенные атомы затем захоронены глубоко в земле (чтобы защитить образец от космических лучей, которые могут запутать данные), то трек отдачи может быть сохранен. Если это так, исследователи могут вырыть камень, отслаивать слои времени и исследовать давние события, используя сложные методы наноизображения, такие как атомно-силовая микроскопия. Конечным результатом будет след окаменелости: аналог темной материи для обнаружения следа зауропод, когда он бежал от хищника.

Крошечные краны

Около пяти лет назад Фриз начал искать идеи для новых типов детекторов вместе с Анджеем Друкиером, физиком из Стокгольмского университета, который начал свою карьеру с изучения обнаружения темной материи, прежде чем заняться биофизикой. Одна из их идей, разработанная вместе с биологом Джорджем Черчем, касалась детекторов темной материи, основанных на реакциях ДНК и ферментов.

В 2015 году Друкиер отправился в Новосибирск, Россия, для работы над прототипом биологического детектора, который будет размещен под земной поверхностью. В России он узнал о скважинах, пробуренных во время холодной войны, некоторые из которых достигают 12 километров вниз. Никакие космические лучи не могут проникнуть так далеко. Друкиер был заинтригован.

Типичные детекторы темной материи относительно велики и очень чувствительны к внезапным событиям. Они проводят свои поиски в течение нескольких лет, но по большей части они ищут сигналы WIMP в реальном времени. Минералы, хотя и относительно малы и менее чувствительны к взаимодействию WIMP, могут представлять собой поиск, который продолжается сотни миллионов лет.

«Этим кускам породы, извлеченным из очень, очень глубоких кернов, фактически миллиард лет», – сказал Друкиер. «Чем глубже ты идешь, тем старше. Так что вдруг вам не нужно строить детектор. У вас есть детектор в земле.

Земля ставит свои проблемы. Планета полна радиоактивного урана, который производит нейтроны по мере его распада. Эти нейтроны также могут выбивать ядра. Фриз сказал, что первоначальный документ команды, описывающий палеодетекторы, не учитывал шум, вызванный распадом урана, но множество комментариев других заинтересованных ученых заставили их вернуться и пересмотреть. Команда провела два месяца, изучая тысячи минералов, чтобы понять, какие из них изолированы от распада урана. Они утверждают, что лучшие палеодетекторы будут состоять из морских эвапоритов – в основном, каменной соли – или в породах, которые содержат очень мало кремнезема, которые называются ультраосновными породами. Кроме того, они ищут минералы, которые содержат много водорода, поскольку водород эффективно блокирует нейтроны, возникающие при распаде урана.

Галит, более известный как каменная соль, является ультраосновной породой, которая потенциально может использоваться в качестве детектора темной материи.

По словам Трэйси Слатьер, физика-теоретика из Массачусетского технологического института, который не принимал участия в исследовании, поиск ископаемых откатов может быть хорошим способом поиска WIMP с малой массой.

«Вы ищете ядро, прыгающее, по-видимому, без причины, но оно должно подскочить на определенную величину, чтобы вы могли это увидеть. Если я отскочу от мяча для пинг-понга от шара для боулинга, мы не увидим, как шар для боулинга будет сильно двигаться – или вам лучше будет обнаружить довольно небольшие изменения в движении вашего шара для боулинга », – сказала она. , «Это новый способ сделать это».

Самый сложный эксперимент

Участие в полевых работах будет нелегким. Исследования должны проводиться глубоко под землей, где образцы керна будут защищены от космического и солнечного излучения. И современная нано-визуализация потребовалась бы, чтобы разрешить доказательства подталкивания ядер.
По словам Слатира, даже если WIMP оставит видимый шрам, основной проблемой палеодетекторов будет обеспечение того, чтобы ископаемые следы действительно исходили от частиц темной материи. Исследователям придется потратить много времени, чтобы убедить себя, что отдача – это не работа нейтронов, нейтрино от Солнца или что-то еще, сказала она.

«Они дают хороший пример того, что вы можете пойти довольно глубоко, чтобы оградить от космических лучей, – сказала она, – но это не контролируемая система. Это не лаборатория. Вы можете не очень хорошо знать историю этих месторождений. Даже если вы запросите сигнал от него, вам придется проделать гораздо больше работы, чтобы действительно убедиться, что вы не видите какой-то фон ».

Друкиер и Фриз оба сказали, что сила палеодетекторов может заключаться в цифрах. Скала содержит множество минералов, каждый из которых содержит атомные ядра, которые по-разному отскакивают от мародерствующего WIMP. Поэтому разные элементы будут служить разными детекторами, все они будут заключены в один образец керна. Это позволило бы экспериментаторам просматривать спектр отдачи, подтверждая их доказательства и потенциально позволяя им делать выводы о массе WIMP, сказал Фриз. В будущем палеодетектор мог бы даже предоставить запись WIMP во времени, точно так же, как запись окаменелостей позволяет палеонтологам реконструировать историю жизни на Земле.

По мнению Слатьера, длинный отчет может предложить уникальный зонд гало темной материи Млечного Пути, облако невидимого материала, через которое Земля проплывает, когда солнечная система совершает свою 250-миллиметровую орбиту вокруг центра галактики. Понимание того, как распределяется ореол темной материи Млечного Пути, может дать представление о его физическом поведении, сказал Слатьер. Это могло бы даже продемонстрировать, взаимодействует ли темная материя с собой способами, которые выходят за пределы гравитации.

«Это место, где теория и моделирование все еще находятся в очень активном развитии», – сказала она.

Однако это еще далеко от реальности. Фриз и Друкиер утверждают, что палеодетектор с доказательством принципа действия должен сначала продемонстрировать, что он может найти следы отдачи, оставленные известными частицами, такими как солнечные нейтрино. Затем они должны доказать, что могут изолировать трассы WIMP от этих обычных отдач.

«Это серьезное изменение перспективы», – сказал Друкиер. «Найдем ли мы темную материю? Я провел 35 лет в поисках этого. Это, наверное, самый сложный эксперимент в мире, поэтому нам может не повезти. Но это круто.

Оригинальная история перепечатана с разрешения Quanta Magazine, независимой от редакции публикации Simons Foundation, миссия которой заключается в улучшении общественного понимания науки путем освещения научных разработок и тенденций в области математики, физических и естественных наук.


Больше великих проводных историй