Tri eksperimenta s tamnom materijom sljedeće generacije dobivaju zeleno svjetlo

Ova složena slika svemirskog teleskopa Hubble prikazuje sablasni prsten tamne tvari u skupu galaksija Cl 0024+17. Zasluge: NASA, ESA, M.J. Jee i H. Ford (Sveučilište Johns Hopkins)

Ova složena slika svemirskog teleskopa Hubble prikazuje sablasni prsten tamne tvari u skupu galaksija Cl 0024+17. Smatra se da je prsten nastao davno tijekom titanskog sudara dvaju masivnih galaktičkih jata. Otkriće prstena jedan je od najjačih dokaza da tamna materija postoji. Slika putem NASA -e, ESA -e, M.J. Jee i H. Forda (Sveučilište Johns Hopkins) i Space.com.Pročitajte više o ovoj slici.


Krajem prošlog tjedna (11. srpnja 2014.),Ured za fiziku visoke energije američkog Ministarstva energetikeiOdjel za fiziku Nacionalne zaklade za znanostzajednički su najavili svoju podršku eksperimentima u sljedećoj generaciji potrage za tamnom tvari.Iduća generacija, u ovom slučaju, definira se kao pokus koji će biti barem 10 puta osjetljiviji od trenutnog usjeva detektora tamne tvari. DOE i NSF kažu da će podržatiSuper kriogeno pretraživanje tamnih tvari-SNOLAB (SuperCDMS); theLUX-Zeplin eksperiment (LZ); i sljedeću iteracijuEksperiment Axion Dark Matter (ADMX-Gen2). Slijedite donje veze da biste saznali više:

Što je tamna tvar?


Kako će SuperCDMS i LZ pokušati otkriti tamnu materiju?

Kako će ADMX-Gen2 pokušati otkriti tamnu materiju?

Općenito se smatra da tamna energija doprinosi 73 posto sve mase i energije u svemiru. Još 23 posto čini tamna tvar, koja ostavlja samo 4 posto svemira sastavljenog od pravilne tvari, poput zvijezda, planeta i ljudi. Tortni grafikon putem NASA -e

Općenito se smatra da tamna energija doprinosi 73 posto sve mase i energije u svemiru. Još 23 posto čini tamna tvar, koja ostavlja samo 4 posto svemira sastavljenog od pravilne tvari, poput zvijezda, planeta i ljudi. Tortni grafikon putem NASA -e

Što je tamna tvar?Počevši od 20. stoljeća, studije udaljenih galaksija sugerirale su da većina tvari u našem svemiru postoji u obliku neviđenogtamna materija.Fritz Zwicky je tu ideju predložio 1933kako bi se uzela u obzir brzina kretanja galaksija u jatima jedna prema drugoj. Astronomi su počeli govoriti onedostaje masaprogram. 1960-ih i 1970-ih,Vera Rubini i kolege promatrali su brzine kojima se same galaksije okreću. Čak i na mjerilu pojedinačnih galaksija, astronomi su otkrili da se moraju pozivati ​​na neviđenotamna materija.


Znanstvenici sada vjeruju da 23 posto mase svemira dolazi u obliku tamne tvari. Ovaj materijal, kakav god on bio, ne emitira svjetlost niti energiju, pa se ne može izravno vidjeti.

Nitko još nije otkrio tamnu materiju, no znanstvenici su posljednjih godina postali mnogo istančaniji u razmišljanju o njoj. Stoga je moguće da će njegovo otkrivanje uskoro doći, pogotovo jer se ti novi detektori pojavljuju na mreži.

LUX-ZEPLIN potraga za tamnom materijom bit će smještena duboko pod zemljom u rudniku zlata u Južnoj Dakoti. (Ljubaznošću: Matthew Kapust/Sanord Underground Research Facility)

LUX-ZEPLIN potraga za tamnom materijom bit će smještena duboko pod zemljom u rudniku zlata u Južnoj Dakoti. Suradnju LZ -a čini 128 znanstvenika i inženjera iz 29 institucija u SAD -u, Velikoj Britaniji, Portugalu i Rusiji. Slika putem Matthewa Kapusta/Sanord Underground Research Facility.

Sljedeća generacija Super Cryogenic Dark Matter Search -SNOLAB - aka SuperCDMS - radit će u najdubljem podzemnom laboratoriju u Sjevernoj Americi, SNOLAB, kako bi osigurao zaštitu od čestica kozmičkih zraka visoke energije. Uključivat će kriogenički sustav dizajniran za održavanje detektora na temperaturama unutar djelića stupnja iznad apsolutne nule, te posebne čiste zaštitne materijale koji isključuju radioaktivno podrijetlo iz okoliša.

Sljedeća generacija Super Cryogenic Dark Matter Search-SNOLAB-zvana SuperCDMS-radit će u najdubljem podzemnom laboratoriju u Sjevernoj Americi, SNOLAB, koji se nalazi 2 kilometra (1,6 milja) ispod površine u rudniku Vale Creighton blizu Sudburyja, Ontario, Kanada.


Kako će SuperCDMS i LZ pokušati otkriti tamnu materiju?I LZ i SuperCDMS tražit će hipotetičke čestice tamne tvari tzvWIMP -ovi ili masivne čestice sa slabom interakcijom. Nije poznato da WIMP -ovi postoje. Oni su proizvod teorija o ranom svemiru. No, iako su teoretska, njihova se svojstva mogu proučavati i definirati.

Kathryn Jepsen napisala je u časopisu Symmetry:

LZ je sposoban identificirati WIMP -ove sa širokim rasponom masa, uključujući one mnogo teže od bilo koje čestice koju bi veliki hadronski sudarač u CERN -u mogao proizvesti. SuperCDMS će se specijalizirati za traženje lakih WIMP -ova s ​​masama manjim od 10 GeV. (I naravno, i LZ i SuperCDMS spremni su malo proširiti svoje granice ako ih se zatraži da međusobno dvaput provjere rezultate.)

Ako WIMP udari u LZ detektor, visokotehnološku bačvu tekućeg ksenona, proizvest će kvante svjetlosti, nazvane fotoni. Ako WIMP pogodi SuperCDMS detektor, skupinu integriranih sklopova veličine hokeja, napravljenih od silicija ili germanija, proizvest će kvante zvuka, nazvane fononi.


Međutim, rekao je glasnogovornik LZ -a Harry Nelson s Kalifornijskog sveučilišta u Santa Barbari:

... ako otkrijete samo jednu vrstu signala, svjetla ili zvuka, možete se prevariti. Brojne stvari to mogu lažirati.

Kako bi bili zaštićeni od najpoznatijih lažnjaka - kozmičkih zraka - SuperCDMS i LZ bit će smješteni pod zemljom - SuperCDMS u SNOLAB -u u Ontariju u Kanadi i LZ u Podzemnom istraživačkom centru Sanford u Južnoj Dakoti. Čak će se i tamo morati nositi s prirodnim zračenjem propadanjem urana i torija u stijeni oko njih: glasnogovornik SuperCDMS -a Blas Cabrera sa Sveučilišta Stanfordrekao Symmetry:

Jedan član lanca raspadanja, olovo-210, ima vrijeme poluraspada od 22 godine. Malo je teško čekati da izađe.

Kako bi se to spriječilo, oba eksperimenta prikupljaju i drugi signal, osim svjetla ili zvuka - naboj. Omjer dva signala daje im do znanja jesu li svjetlo ili zvuk došli od čestice tamne materije ili nečeg drugog.

Fizičari sa sveučilišta Washington, Leslie Rosenberg (desno) i Grey Rybka ispituju paket eksperimenta koji se nalazi iznad otvora velikog supravodljivog magneta, pri čemu se dvije primarne komponente detektora koriste u eksperimentu s tamnom materijom Axion. O aksionu su fizičari prvi zaključili krajem 1970 -ih kao rješenje problema u teoriji koja se zove kvantna kromodinamika. Malo se pouzdano zna o aksiji. Čini se da gravitacijski reagira na materiju, ali u protivnom nema nikakvu drugu interakciju. Znanstvenici su od 1930 -ih vjerovali da mora postojati neka neviđena, ali masivna tvar, neka vrsta gravitacijskog ljepila, koja sprječava da se rotirajuće galaksije razdvoje. Aksioni, ako oni zaista postoje, kandidati su za sastav hladne tamne tvari. Slika preko Mary Levin / Sveučilište Washington

Fizičari sa sveučilišta Washington, Leslie Rosenberg (desno) i Grey Rybka ispituju paket eksperimenta koji se nalazi iznad otvora velikog supravodljivog magneta, pri čemu se dvije primarne komponente detektora koriste u eksperimentu s tamnom materijom Axion. O aksionu su fizičari prvi zaključili krajem 1970 -ih kao rješenje problema u teoriji koja se zove kvantna kromodinamika. Malo se pouzdano zna o aksiji. Čini se da gravitacijski reagira na materiju, ali u protivnom nema nikakvu drugu interakciju. Znanstvenici su od 1930 -ih vjerovali da mora postojati neka neviđena, ali masivna tvar, neka vrsta gravitacijskog ljepila, koja sprječava da se rotirajuće galaksije razdvoje. Aksioni, ako oni zaista postoje, kandidati su za sastav hladne tamne tvari. Slika preko Mary Levin / Sveučilište Washington

Kako će ADMX-Gen2 pokušati otkriti tamnu materiju?S ADMX-Gen2, znanstvenici neće tražiti WIMP-ove. Tražit će drugu vrstu hipotetičkih elementarnih čestica zvanih aksion, prvi put postavljenih 1977. godine.

ADMX-Gen2 će tražiti aksije na sljedeći način. Ako bi aksion prošao kroz magnetsko polje, mogao bi se pretvoriti u foton. ADMX tim potiče ovu transformaciju postavljanjem svog detektora unutar jakog magnetskog polja. Zatim pokušavaju otkriti promjenu. Ko-glasnogovornik ADMX-Gen2 Grey Rybka sa Sveučilišta Washington u Seattleurekao Symmetry:

Mnogo je poput AM radija.

Odnosno, ADMX detektor polako okreće brojčanik, prilagođavajući se tako da prati jednu po jednu osovinsku masu. U svom postojećem obliku, ovom detektoru bi trebalo oko 100 godina da eksperiment prođe kroz sve moguće kanale. No, s dodatkom hladnjaka sa super hlađenjem, detektor sljedeće generacije-ADMX-Gen2-moći će pretraživati ​​sve svoje trenutne kanale, plus mnoge druge, u rasponu od samo tri godine.

S radom na SuperCDMS-u, LZ-u i ADMX-Gen2, kažu fizičari, sljedećih nekoliko godina traženja tamne tvari moglo bi biti jedno od njegovih najzanimljivijih.

Zaključak: DOE i NSF odabrali su tri projekta za sljedeću generaciju tragača za tamnom materijom. Sljedeća generacija, u ovom slučaju, definirana je kao pokusi koji će biti barem 10 puta osjetljiviji od trenutnog usjeva detektora tamne tvari. DOE i NSF kažu da će podržati eksperiment LUX-Zeplin (LZ); i sljedeća iteracija eksperimenta Axion Dark Matter (ADMX-Gen2).