Poszukiwania ciemnej materii są intrygujące. To dosłownie strzał w ciemno. Chociaż naukowcy są tego pewni Ciemna materia Istnieje – ponieważ cała normalna materia we wszechświecie po prostu nie jest w stanie wyjaśnić, w jaki sposób galaktyki trzymają się razem – nie wiedzą, co to jest. Oni też tak naprawdę nie wiedzą, gdzie on jest (chociaż mają pewne pomysły). Na pewno nie wiedzą, jak to wygląda.
Jednak społeczność fizyków jest chętna do zbadania tych nieuchwytnych cząstek, ponieważ ciemna strona naszego wszechświata stanowi alarmujące 95% naszego wszechświata, jeśli wziąć pod uwagę ciemna energianiewidzialna siła, która przyspiesza rozszerzanie się przestrzeni.
Ale jak można coś analizować, nie wiedząc tak naprawdę, co analizować? Cóż, jest jeden sposób. Chociaż nie wiemy jeszcze, czym jest ciemna materia, naukowcy mogą powoli odkrywać, czym ona nie jest.
Właśnie to zrobiło ostatnio kilku badaczy zajmujących się badaniami, przeglądając dane przechwycone przez detektor zakopany głęboko w kopalni w Minnesocie. Chociaż nie znaleźli dowodów na istnienie ciemnej materii, twierdzą, że wyznaczyli jedną z najwęższych granic, jakie kiedykolwiek udało się wykryć tego zjawiska. miał pełny zarys swoich ustaleń opublikowany W czerwcu w Physical Review D.
„Chodzi o sposób myślenia w nauce, gdzie zerowy wynik może mieć równie duży wpływ jak pozytywny” – powiedział Space.com Daniel Jardine, współautor badań i doktor habilitowany na Northwestern University. „Oczywiście fajnie było znaleźć ciemną materię, ale udało nam się wyciąć nowy wycinek przestrzeni parametrów ciemnej materii”.
Powiązany: „Ukryte” fotony mogą rzucić światło na tajemniczą ciemną materię
Te najnowsze odkrycia są związane ze współpracą Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS), której Jardin jest członkiem.
Krótko mówiąc, zespół doszedł do wniosku, że eksperymentalny detektor SuperCDMS może teraz wykluczyć cząstki ciemnej materii do około Około jednej piątej masy protonu – i prawdopodobnie mniej mas.
„Zawsze uwielbiałem ścigać nieznane, a to jest tak duże, jak to tylko możliwe” – powiedział Jardine. „Bardzo się cieszę, że moja kariera doprowadziła mnie tutaj i jakkolwiek krótka może być, zawsze mogę powiedzieć, że ten wynik był najlepszy na świecie, dopóki inne próby nieuchronnie nadrobią”.
Czekaj, co to jest SuperCDMS?
Aby uchwycić dowody na istnienie cząstek ciemnej materii, zespół SuperCDMS współpracuje z eksperymentem określanym również jako SuperCDMS.
Ten eksperyment zasadniczo wykorzystuje moc detektorów, które mogą określić, czy i kiedy cząstka ciemnej materii (czymkolwiek to jest) zderza się z jądrami atomowymi materiałów osadzonych w samych detektorach, w szczególności z germanem lub krzemem.
„Interesowałem się kosmosem odkąd byłem mały, ponieważ wszystko na Ziemi wydaje się takie małe i nieistotne” – powiedział Jardine. „Potem dowiedziałem się o ciemnej materii i nie mogłem uwierzyć, że wszystkie gwiazdy, galaktyki i rzeczy, które widzimy na nocnym niebie, stanowią mniej niż 5% wszechświata”.
Ujmując nieco bardziej technicznie, SuperCDMS może określić, czy te cząstki ciemnej materii biorą udział w tak zwanych „zderzeniach sprężystych”. Gdyby tak się stało, wszelka energia utracona przez cząstkę ciemnej materii podczas jej rozpadu zostałaby przeniesiona na ruch dotkniętych jąder atomowych. Z kolei dwa bity odbiją się z powrotem.
Byłoby to jak dwie kule bilardowe uderzające o siebie tylko po to, by odbić się nieco do tyłu na stole, mówi współautor badania Noah Korinsky, naukowiec z SLAC National Accelerator Laboratory.
Ale o to chodzi.
SuperCDMS najwyraźniej nie znalazł jeszcze żadnych kolizji elastycznych – według Jardina już byśmy o tym słyszeli, ponieważ takie odkrycie prawdopodobnie przyniosłoby Nagrodę Nobla. Jednak ten zespół naukowców, w tym Rob Calkins, adiunkt na Southern Methodist University, zadał intrygujące pytanie.
Co jeśli SuperCDMS złapie inny typ kolizji, którego nikt nie szukał przez cały ten czas? W szczególności zderzenia niesprężyste.
Biorąc pod uwagę te nowe odkrycia, zdecydowanie coś wymyślili.
„Poszukiwanie zderzeń elastycznych pozostaje głównym motorem SuperCDMS, ale spojrzenie na zderzenia nieelastyczne otworzyło drogę do przestrzeni parametrów ciemnej materii, na którą eksperyment był wcześniej niewrażliwy” – wyjaśnił Jardine.
Możliwe zderzenie nieelastycznej ciemnej materii może działać na dwa sposoby. Pierwsza, według zespołu, ma coś wspólnego z czymś, co nazywa się Promieniowanie Bremsstrahlunga. W detektorze, gdyby doszło do tego typu zderzenia nieelastycznego, cząstka ciemnej materii przekazałaby część swojej energii cząstce światła lub fotonowi, zamiast po prostu odbijać się od niej, jak w przykładzie z kulą bilardową.
Chociaż, z drugiej strony, niesprężyste zderzenie może wystąpić przez coś, co nazywa się Efekt Midgalla. Gdyby to uwolnienie miało miejsce, cząstka ciemnej materii uderzająca w jądro spowodowałaby wyrzucenie samego jądra z pozycji, zakłócając rozkład chmury elektronów. Po powrocie na swoje pierwotne miejsce, niektóre z tych przepływających elektronów zostaną wydalone.
Ryzykując nadmierne uproszczenie, oznacza to, że zespół szukał sygnałów SuperCDMS albo latającego fotonu, albo samotnego elektronicznego hardcore’a.
„To nie było tak łatwe jak liczenie” – zauważył Jardine. „W tej analizie wykorzystano kształty widmowe do modelowania profilu mocy sygnału, a także kilku znanych źródeł tła”.
Po tym wszystkim poszukiwania nie przyniosły rezultatu – ale historia się na tym nie skończyła.
Jardin kontynuował: „Następnie wykorzystaliśmy statystyki, aby odpowiedzieć na pytanie” Jakie jest prawdopodobieństwo, że zobaczymy sygnał na znanym tle? To pytanie jest powtarzane setki tysięcy razy i pomijamy przestrzeń parametrów, w której mieliśmy widzieć sygnał, a nie mogliśmy.
Zawsze jest złoty środek
„W każdej sekundzie przechodzi przez ciebie około miliarda cząstek ciemnej materii, ale wchodzą one w interakcje tak rzadko, że nie można tego stwierdzić” – powiedział Jardine. „Szukamy możliwości interakcji 1 na miliard miliardów miliardów miliardów”.
Chociaż ten złoty bilet nie został znaleziony, na światło dzienne wyszły inne formy skarbu.
Przede wszystkim wszystkie te badania statystyczne dotyczące sygnałów SuperCDMS dostarczyły zespołowi wniosków na temat potencjalnych ograniczeń niskiej masy dla cząstek ciemnej materii.
„Inny eksperyment z ciemną materią, który nie był tak czuły na masę ciemnej materii tak niską jak SuperCDMS dla zderzeń elastycznych, opublikował podobną analizę, która rozszerzyła jego zasięg i spłaszczyła pole gry. Czytając to, zastanawialiśmy się, jak daleko moglibyśmy zejść, gdybyśmy użyli tą samą metodą” – powiedział Jardine.
Ponadto wyjaśnił, że zespół „dodał więcej do analizy, na przykład bardziej złożone statystyki i włączenie interakcji z Ziemią”.
Tak, Ziemia
Być może jeszcze bardziej imponujący jest sposób, w jaki zespół wziął to wszystko pod uwagę GruntJego pozycja w przestrzeni może wpływać na te sygnały ciemnej materii.
Jak pokazują, jeśli ciemna materia oddziałuje wystarczająco silnie z rzeczami, prawdopodobnie oddziałuje dosłownie ze wszystkim na swojej drodze w drodze do naszych maleńkich podziemnych detektorów Ziemi. Jedną z tych rzeczy, które są gotowe do interakcji, jest atmosfera naszej planety.
Zespół doszedł do wniosku, że gdyby cząsteczka ciemnej materii weszła w interakcję z naszą atmosferą, tarcza planetarna zabrałaby część energii cząstki, zanim odebralibyśmy jej sygnał.
„Uważa się, że ciemna materia jest mniej więcej wszechobecna w dużej kuli wokół galaktyki” – powiedział Jardine. Nasz Układ Słoneczny znajduje się w ramieniu spiralnym droga Mleczna Oznacza to, że ziemia krąży wokół słońca, a ziemia obraca się wokół własnej osi. Ten ruch astronomiczny oznacza, że Ziemia przechodzi przez morze cząstek ciemnej materii, ale z naszej perspektywy cząstki ciemnej materii wydają się nieustannie bombardować Ziemię i nasze detektory”.
W ten sposób naukowcy zdali sobie sprawę, że prawdopodobnie istnieje górna granica energii, przez którą te interaktywne cząstki ciemnej materii mogą się przebić – to znaczy, jeśli są reaktywne.
Modelując takie rzeczy, jak gęstość ziemskiej atmosfery, współpracując z geologami, aby dowiedzieć się, jakie rodzaje skał znajdują się nad kopalnią w Minnesocie, w której zakopany jest SuperCDMS i mnóstwo innych zmiennych, odkryli już górną granicę energii ciemnej materii.
„Kiedy dopasujesz linię do niektórych danych, istnieją dwa parametry: regresja i punkt przecięcia” – powiedział Jardine. „W tej analizie mieliśmy jednocześnie ponad 50 kryteriów dopasowania”.
Jeśli chodzi o to, co będzie dalej, cóż, Jardine mówi, że ta dedukcja w stylu Sherlocka Holmesa będzie kontynuowana. A jeśli coś takiego przyjdzie ci do głowy, podkreśl wizualny sposób patrzenia na wyniki zespołu, który stawia wszystko z perspektywy.
„Ten wynik – czarne linie – pomija pewną nową przestrzeń parametrów, do której inni wcześniej nie mieli dostępu, ale po lewej stronie jest dużo więcej otwartej przestrzeni, mniej bloków w górę iw dół, co oznacza mniejsze możliwości interakcji” – powiedział. . Jest to coraz trudniejsze do zbadania, ale fizycy ciemnej materii są sprytni.
Ci łowcy ciemnej materii z pewnością sięgnęli gwiazd i zdołali miękko wylądować na Księżycu.
„Nieuleczalny student. Społeczny mediaholik. Niezależny czytelnik. Myśliciel. Alkoholowy ninja”.
More Stories
Badanie „kosmicznej nierównowagi” grawitacji
Niektóre satelity NASA wkrótce przestaną wysyłać dane na Ziemię
Amerykańscy naukowcy zajmujący się kosmosem ponownie odkrywają satelitę zaginionego 25 lat temu