Mörk materia kan lura vid lågenergigränser - det finns bevis

Innehållsförteckning:

Mörk materia kan lura vid lågenergigränser - det finns bevis
Mörk materia kan lura vid lågenergigränser - det finns bevis
Anonim

Mystiska effekter i en ny generation av detektorer för mörk materia kan utropa en revolutionär upptäckt. Under det senaste året har forskare som arbetar med dessa detektorer plötsligt märkt en ökning eller överskott av mängden lågenergiexponeringar.

Även efter decennier av noggrann sökning har forskare inte lyckats hitta en enda partikel av mörk materia. Forskare ger nästan "järn" bevis på förekomsten av denna form av materia, men hittills har det inte varit möjligt att avgöra vad det faktiskt består av. I flera decennier har fysiker hållit fast vid hypotesen att mörk materia är tung och består av så kallade svagt interagerande massiva partiklar - WIMP, som förmodligen lätt kan upptäckas under laboratorieförhållanden.

Trots många års noggrann forskning har forskare ännu inte lyckats hitta WIMP: er. Och fysikerna tog upp sökandet med ännu större entusiasm. När forskare utför mer och mer exakta experiment och samlar in mer data, finns det en omvärdering av hypoteser som belyser hur detektorer kan fånga upp partiklar av mörk materia som är lättare än en proton. Och i början av detta år på arXiv -förtrycksservern. org publicerades två artiklar som blev en symbol för förändring i fysik. I dessa artiklar föreslår författarna för första gången att fokusera ansträngningarna på sökandet efter plasmoner (kollektiva rörelser av elektroner i materia) som produceras av mörk materia.

Det första av tidningarna skrevs av en grupp forskare som specialiserat sig på studier av mörk materia vid National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi (Fermilab) i Batavia, Illinois, samt specialister från University of Illinois i Urbana-Champaign och från University of Chicago. Forskare har antagit att mörk massa med låg massa kan generera plasmoner, och dessa partiklar kan fångas upp med hjälp av några detektorer. Inspirerad av detta banbrytande papper beräknade UC San Diego-fysikerna Tongyan Lin och Jonathan Kozaczuk sannolikheten för att detektorer kan upptäcka mörk massa med låg massa.

”Vi ropar” Plasmon, plasmon, plasmon!”Eftersom detta spännande fenomen enligt vår mening kommer att hjälpa oss att förklara experimenten med mörk materia”, säger medförfattare till den första av artiklarna och experten på mörk materia Gordan Krnjaic från Fermilab och Kavli Institute of Cosmological Physics vid University of Chicago. Partikelfysiker har tillsammans med astrofysiker funderat över problemet med att upptäcka lågmassa mörk materia i ett decennium, snarare kemister och materialforskare), som är identifierare, markeringar, mörk materia.

"Jag tycker att det här är jättebra", utbrister Yonit Hochberg, en teoretisk fysiker vid hebreiska universitetet i Jerusalem, som kommenterade resultaten från Krnjajcs team (även om Yonit inte var direkt involverad i någon av de nämnda artiklarna). "Det faktum att det finns [plasmoner] som kan agera på något okänt sätt är enligt min mening ett oerhört viktigt resultat som verkligen kräver ytterligare studier."

Vissa forskare betraktar resultatet av den första publicerade artikeln med stor skepsis. Som Kathryn Zurek, en forskare i mörk materia vid California Institute of Technology, uttryckte det, till exempel, artikeln "övertygar mig inte riktigt" och tillade: "Jag förstår bara inte hur det fungerar." (Vi lägger till att Zurek inte heller deltog i skrivandet av dessa artiklar).

I sin tur en av medförfattarna till den första artikeln Noah Kurinsky, som är engagerad i experimentella aktiviteter inom studier av mörk materia vid Fermilab och vid Institute of Cosmological Physics. Kavli, menar att själva faktum av kritik från experter inte alls är ovanligt.”Vi sätter upp en uppgift för dem: att bevisa att vi har fel. Och detta tror jag kommer att gynna den forskning som bedrivs inom detta fysikområde mycket. Det här är vad de borde försöka göra, säger Kurinski.

Kombinera insatser

Jakten på osynlig materia, som nästan inte lämnar några spår, går vanligtvis ungefär så här: för att upptäcka partiklar av mörk materia tar fysiker en bit av något material, placerar det någonstans djupt under jorden, ansluter det till utrustning och väntar sedan i hopp om att fixa en signal. I synnerhet hoppas forskare att en partikel av mörk materia kommer att slå direkt in i detektorn, vilket resulterar i elektroner, fotoner eller till och med värme som kan detekteras av utrustningen.

Teoretiska metoder för att upptäcka mörk materia skisserades i en artikel från 1985; den beskrev hur en neutrino -detektor kan återanvändas för att söka efter partiklar av mörk materia. Som visas i den artikeln kan en inkommande partikel av mörk materia träffa atomkärnan i ämnet från vilken detektorn är gjord, och ge den en impuls, precis som en biljardboll, som kolliderar med en annan, ger impuls till den sista av dem. Som en följd av denna kollision skulle mörk materia, som träffade kärnan tillräckligt hårt, ge en fart, till följd av vilken en elektron eller en foton skulle flyga ut.

Allt blir bra med höga energier. Atomerna i detektorn kan ses som fria partiklar, diskreta och oberoende av varandra. Men vid lägre energier förändras bilden.

"Men detektorer är inte gjorda av fria partiklar", konstaterar medförfattare till den första artikeln, Yonatan Kahn, från University of Illinois i Urbana-Champaign, som studerar mörk materia. "De är bara gjorda av ett mycket specifikt material. Och därför måste du ha all information om detta material om du vill förstå exakt hur din detektor faktiskt fungerar."

Inuti detektorn kommer en partikel av mörk materia med liten massa fortfarande att överföra momentum, men som ett resultat av påverkan kommer resten av partiklarna inte att spridas som bollar i en biljard, utan kommer att börja vibrera. Med andra ord är analogin med en pingisboll mer lämplig här.

"Så snart vi går vidare till mörk materia med lägre massa, börjar andra - mer subtila - effekter dyka upp här", förklarar Lin. Dessa subtila effekter betyder vad fysiker gillar att kalla "kollektiva excitationer". Och meningen här är denna: om flera partiklar rör sig samtidigt med varandra, är det mer bekvämt att beskriva dem som en enda helhet, säg, som en ljudvåg som består av många vibrerande atomer.

Om elektroner börjar bete sig på detta sätt uppstår i detta fall plasmoner. Om en grupp atomkärnor börjar vibrera, kallas deras kollektiva excitation en fonon. Detta fenomen möts vanligen av astrofysiker och högenergifysiker som studerar mörk materia; de ser det dock som irrelevant.

Men, som den sena nobelpristagaren i fysik Philip Anderson en gång påpekade, "mer betyder annorlunda", det vill säga, vi talar om att erkänna det faktum att när systemet växer kan det ha helt andra beteendelagar [menande artikel av Philip Anderson, 1972. "More is different", det vill säga More is different, - ca. översätta.]. Till exempel uppför sig en droppe vatten mycket annorlunda än en enda vattenmolekyl (H2O). "Jag är helt genomsyrad av detta koncept", säger Yonathan Kahn.

De metoder för plasmonproduktion som används i båda pappren skiljer sig något från varandra. Författarna kommer dock till samma slutsats: vi måste verkligen leta efter signaler som indikerar produktion av plasmoner. I synnerhet, enligt beräkningarna av Lin och Kozachuk, skulle bildandet av en plasmon genom mörk materia med låg massa vara ungefär en tiotusendel av utseendet hos en elektron eller en foton. Detta värde kan tyckas osannolikt, men för fysiker är det ganska korrekt.

Energiboost i mörkret

Fram till nyligen använde de mest känsliga detektorerna för att upptäcka mörk materia jättebehållare av flytande xenon. Under de senaste åren har de dock ersatts av en ny generation av mindre halvledardetektorer. De är kända under förkortningarna EDELWEISS III, SENSEI och CRESST-III och är konstruerade av material som germanium, kisel och scheelit. Sådana detektorer är känsliga för kollisioner med mörk materia, vilket kan resultera i endast en elektron.

Men alla detektorer, oavsett skyddsnivå, är känsliga för yttre buller, vars källor till exempel kan vara bakgrundsstrålning. Och så under det senaste året började forskare som arbetade med flera detektorer av mörk materia plötsligt registrera en ökning eller överskott av antalet lågenergipåverkan, men de gick över detta faktum i tystnad.

Tidningen av Kurinski och hans kollegor noterade för första gången en anmärkningsvärd likhet mellan sådana "överskott" med låg energi som har observerats i olika experiment med mörk materia. Det verkar som om några av dessa överskott är koncentrerade till cirka 10 hertz per kilo detektormassa. Och eftersom detektorerna är gjorda av olika material, är placerade på helt olika platser och fungerar under olika förhållanden från varandra, så finns det knappast någon annan universell orsak till denna konstiga konsistens, förutom den subtila påverkan av mörk materia. Den efterföljande vetenskapliga debatten väckte uppmärksamhet från andra fysiker, till exempel Lin, som snabbt började arbeta med matematik relaterad till plasmon. Men även Lin tvivlar: tänk om resultaten från de experiment som genomförts för närvarande tyder på att plasmoner inte genereras av mörk materia, utan av något annat?”Jag säger inte att mörk materia inte är orsaken. Jag säger bara att mörk materia framstår för mig än så länge som en övertygande faktor, säger Lin.

Denna hypotes kommer att upprepade gånger testas och kontrolleras när ny data kommer från de senaste detektorerna för mörk materia. Men det spelar ingen roll om detektorerna för närvarande upptäcker den mystiska substansen eller inte. Nu studerar forskare som arbetar inom detta fysikområde plasmoner och andra sätt att beteende för lågmassa mörk materia. Forskning pågår.

"Jag utesluter inte att vi gjorde många misstag, men de väcker alla intresse för sig själva", säger Krzaych.

Rekommenderad: