Tamna tvar može vrebati na granicama niske energije - postoje dokazi

Sadržaj:

Tamna tvar može vrebati na granicama niske energije - postoje dokazi
Tamna tvar može vrebati na granicama niske energije - postoje dokazi
Anonim

Tajanstveni učinci nove generacije detektora tamne tvari mogli bi najaviti revolucionarno otkriće. Tijekom prošle godine znanstvenici koji su radili s tim detektorima odjednom su primijetili povećanje ili višak količine niskoenergetske izloženosti.

Čak i nakon desetljeća mukotrpne potrage, znanstvenici nisu uspjeli pronaći niti jednu česticu tamne tvari. Znanstvenici daju gotovo "željezne" dokaze o postojanju ovog oblika materije, no do danas nije bilo moguće utvrditi od čega se, zapravo, sastoji. Nekoliko desetljeća fizičari su se držali hipoteze da je tamna tvar teška i da se sastoji od takozvanih slabo interaktivnih masivnih čestica - WIMP -a, koje se navodno može lako otkriti u laboratorijskim uvjetima.

Međutim, unatoč dugogodišnjem mukotrpnom istraživanju, znanstvenici još nisu uspjeli pronaći WIMP -ove. I fizičari su se s još većim entuzijazmom upustili u potragu. Kako istraživači provode sve preciznije pokuse, prikupljajući više podataka, dolazi do ponovne procjene hipoteza koje rasvjetljavaju način na koji bi detektori mogli uhvatiti čestice tamne tvari lakše mase od protona. A početkom ove godine na poslužitelju za preprint arXiv. org, objavljena su dva rada koja su postala simbol promjene u fizici. U ovim člancima autori po prvi put predlažu usmjeriti napore na potragu za plazmonima (kolektivnim kretanjima elektrona u materiji) koje proizvodi tamna tvar.

Prvi od radova napisala je skupina znanstvenika specijaliziranih za proučavanje tamne tvari u Nacionalnom akceleracijskom laboratoriju. Enrico Fermi (Fermilab) u Bataviji, Illinois, kao i stručnjaci sa Sveučilišta Illinois u Urbana-Champaign i sa Sveučilišta u Chicagu. Znanstvenici su pretpostavili da je tamna tvar male mase sposobna stvarati plazmone, a te se čestice mogu uhvatiti pomoću nekih detektora. Nadahnuti ovim revolucionarnim radom, fizičari iz UC San Diega Tongyan Lin i Jonathan Kozaczuk izračunali su vjerojatnost da su detektori sposobni otkriti tamnu tvar male mase.

"Vičemo" Plasmon, plasmon, plasmon! "Jer ovaj intrigantan fenomen, po našem mišljenju, pomoći će nam da objasnimo pokuse s tamnom materijom", rekao je koautor prvog članka i stručnjak za tamnu materiju Gordan Krnjaic iz Fermilab i Institut za kozmološku fiziku Kavli na Sveučilištu u Chicagu. Fizičari čestica, zajedno s astrofizičarima, već desetljeće promišljaju problem otkrivanja tamne tvari male mase. Radije, kemičari i znanstvenici materijala), koji su identifikatori, oznake, tamna materija.

"Mislim da je ovo sjajno", uzvikuje Yonit Hochberg, teoretski fizičar sa Hebrejskog sveučilišta u Jeruzalemu, koji je komentirao rezultate do kojih je došao Krnjajčev tim (iako Yonit nije bio izravno uključen u bilo koji od spomenutih članaka). "Činjenica da postoje [plazmoni] koji su sposobni djelovati na neki nepoznat način, po mom mišljenju, iznimno je važan rezultat koji doista zahtijeva daljnja proučavanja."

Neki znanstvenici s velikim skepticizmom gledaju na rezultate prvog objavljenog članka. Kako je, na primjer, rekla Kathryn Zurek, istraživačica tamne materije s Kalifornijskog tehnološkog instituta, članak "me baš ne uvjerava" i dodala: "Jednostavno ne razumijem kako to funkcionira". (Dodajemo da Zurek također nije sudjelovao u pisanju ovih članaka).

Zauzvrat, jedan od koautora prvog članka Noah Kurinsky, koji se bavi eksperimentalnim aktivnostima na području studija tamne tvari u Fermilabu i na Institutu za kozmološku fiziku. Kavli, smatra da sama činjenica kritike stručnjaka nije nimalo neobična. “Postavili smo im zadatak: dokazati da smo u krivu. Vjerujem da će to uvelike koristiti istraživanjima koja se provode u ovom području fizike. To bi trebali pokušati učiniti”, kaže Kurinski.

Kombinirajte napore

Potraga za nevidljivom materijom, koja gotovo ne ostavlja tragove, obično ide otprilike ovako: kako bi otkrili čestice tamne tvari, fizičari uzimaju komad nekog materijala, stavljaju ga negdje duboko pod zemlju, povezuju s opremom, a zatim čekaju u nada da će popraviti signal. Posebno se znanstvenici nadaju da će čestica tamne materije udariti izravno u detektor, što će rezultirati elektronima, fotonima ili čak toplinom koju oprema može otkriti.

Teoretski pristupi otkrivanju tamne tvari opisani su u članku koji datira iz 1985.; opisano je kako se neutrinski detektor može prenamijeniti za traženje čestica tamne tvari. Kao što je prikazano u tom članku, ulazna čestica tamne tvari može pogoditi atomsku jezgru tvari od koje je detektor napravljen i dati joj impuls, baš kao što jedna biljarska kugla, sudarajući se s drugom, daje impuls posljednjoj od njih. Kao rezultat ovog sudara, tamna tvar, koja dovoljno snažno udara u jezgru, dala bi zamah, uslijed čega bi izletio elektron ili foton.

Sve ispadne sjajno pri visokim energijama. Atomi u detektoru mogu se promatrati kao slobodne čestice, diskretne i međusobno nepovezane. Međutim, pri nižim energijama slika se mijenja.

"Ali detektori nisu napravljeni od slobodnih čestica", napominje koautor prvog članka Yonatan Kahn sa Sveučilišta Illinois u Urbana-Champaign, koji proučava tamnu materiju. “Oni su samo napravljeni od vrlo specifičnog materijala. Stoga morate imati sve informacije o ovom materijalu ako želite točno razumjeti kako vaš detektor zapravo radi."

Unutar detektora, čestica tamne tvari male mase i dalje će prenositi zamah, ali kao posljedica udara, ostale čestice neće se raspršiti poput kuglica u biljaru, već će početi vibrirati. Drugim riječima, ovdje je prikladnija analogija ping-pong loptice.

"Čim prijeđemo na tamnu tvar manje mase, ovdje se počinju pojavljivati drugi, suptilniji učinci", objašnjava Lin. Ti suptilni učinci znače ono što fizičari vole nazivati "kolektivnim uzbuđenjima". Ovdje je značenje sljedeće: ako se nekoliko čestica pomiče istovremeno jedna s drugom, onda je prikladnije opisati ih kao jednu cjelinu, recimo, kao zvučni val koji se sastoji od mnogih vibrirajućih atoma.

Ako se elektroni počnu ponašati na ovaj način, tada u ovom slučaju nastaju plazmoni. Ako skupina atomskih jezgri počne vibrirati, tada se njihova kolektivna pobuda naziva fononom. Ovu pojavu obično susreću astrofizičari i fizičari visoke energije koji proučavaju tamnu tvar; međutim, oni to smatraju nevažnim.

No, kako je pokojni nobelovac za fiziku Philip Anderson jednom primijetio, "više znači drugačije", odnosno govorimo o prepoznavanju činjenice da s rastom sustava može imati potpuno drugačije zakone ponašanja [misli se na članak Philip Anderson, 1972. "Više je drugačije", odnosno Više je drugačije, - cca. prijevod.]. Na primjer, kap vode ponaša se vrlo različito od jedne molekule vode (H2O). "Potpuno sam prožet ovim konceptom", kaže Yonathan Kahn.

Pristupi proizvodnji plazmona koji se koriste u oba rada donekle su različiti. Međutim, autori dolaze do istog zaključka: doista moramo tražiti signale koji ukazuju na proizvodnju plazmona. Konkretno, prema izračunima Lina i Kozačuka, brzina stvaranja plazmona tamnom tvari male mase bila bi otprilike jedna deset tisućinka brzine pojavljivanja elektrona ili fotona. Ova se vrijednost može činiti malo vjerojatnom, ali za fizičare je prilično točna.

Porast energije u mraku

Donedavno su najosjetljiviji detektori za otkrivanje tamne tvari koristili divovske spremnike tekućeg ksenona. Međutim, u posljednjih nekoliko godina zamijenjeni su novom generacijom manjih poluprovodničkih detektora. Poznati su pod skraćenicama EDELWEISS III, SENSEI i CRESST-III, a izrađeni su od materijala kao što su germanij, silicij i šeelit. Takvi su detektori osjetljivi na sudar s tamnom tvari, što može rezultirati samo jednim elektronom.

No, svi detektori, bez obzira na stupanj zaštite, osjetljivi su na vanjsku buku čiji izvori mogu biti, na primjer, pozadinsko zračenje. I tako su tijekom prošle godine znanstvenici koji su radili s nekoliko detektora tamne tvari odjednom počeli bilježiti povećanje ili višak broja utjecaja niske energije, ali su tu činjenicu prešli u tišini.

Rad Kurinskog i njegovih kolega prvi je put primijetio izuzetnu sličnost između tako niskih energetskih "ekscesa" koji su uočeni u raznim pokusima s tamnom tvari. Čini se da su neki od ovih ekscesa koncentrirani oko 10 herca po kilogramu mase detektora. A budući da su detektori izrađeni od različitih materijala, nalaze se na potpuno različitim mjestima i rade u različitim uvjetima jedan od drugog, onda gotovo da i nema drugog univerzalnog razloga za ovu čudnu konzistenciju, osim suptilnog utjecaja tamne tvari. Znanstvena rasprava koja je uslijedila privukla je pozornost drugih fizičara, poput Lin, koji su se brzo bacili na matematiku vezanu za plazmon. Ali čak i Lin sumnja: što ako rezultati pokusa provedenih u ovom trenutku ukažu da plazmone ne stvara tamna tvar, već nešto drugo? “Ne kažem da tamna materija nije uzrok. Samo kažem da mi se tamna materija zasad čini neuvjerljivim faktorom”, kaže Lin.

Ova će se hipoteza više puta provjeravati i provjeravati jer novi podaci dolaze iz najnovijih detektora tamne tvari. No nije važno jesu li detektori trenutno otkrili tajanstvenu tvar ili ne. Sada znanstvenici koji rade na ovom području fizike proučavaju plazmone i druge načine ponašanja tamne tvari male mase. Istraživanja su u tijeku.

"Ne isključujem da smo pogriješili, ali sve one pobuđuju interes za sebe", kaže Krzaych.

Preporučeni: