Ακόμα δεν ξέρουμε τι είναι η σκοτεινή ύλη, αλλά να τι δεν ξέρουμε
Η αναζήτηση για τη σκοτεινή ύλη είναι ενδιαφέρουσα. Είναι, κυριολεκτικά, μια σφαίρα στο σκοτάδι. Αν και οι επιστήμονες είναι σίγουροι για αυτό σκοτεινή ύλη Υπάρχει – αφού όλη η κανονική ύλη στο σύμπαν απλά δεν μπορεί να εξηγήσει τον τρόπο που οι γαλαξίες συγκρατούνται μαζί – δεν ξέρουν τι είναι. Επίσης, δεν ξέρουν πραγματικά πού βρίσκεται (αν και έχουν κάποιες ιδέες). Σίγουρα δεν ξέρουν πώς μοιάζει.
Ωστόσο, η κοινότητα της φυσικής είναι πρόθυμη να διερευνήσει αυτά τα άπιαστα σωματίδια επειδή η σκοτεινή πλευρά του σύμπαντός μας αντιπροσωπεύει το ανησυχητικό 95% του σύμπαντός μας όταν λαμβάνεται υπόψη. σκοτεινή ενέργειαη αόρατη δύναμη που επιταχύνει τη διαστολή του χώρου.
Πώς όμως αναλύει κανείς κάτι χωρίς να ξέρει πραγματικά τι να αναλύσει; Λοιπόν, υπάρχει ένας τρόπος. Αν και δεν γνωρίζουμε ακόμα τι είναι η σκοτεινή ύλη, οι επιστήμονες μπορούν σιγά σιγά να ανακαλύψουν τι δεν είναι.
Αυτό ακριβώς έκαναν πολλοί ερευνητές αφιερωμένοι στην έρευνα, κοσκίνοντας δεδομένα που καταγράφηκαν από έναν ανιχνευτή θαμμένο βαθιά μέσα σε ένα ορυχείο στη Μινεσότα. Αν και δεν έχουν βρει στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη, λένε ότι έχουν θέσει ένα από τα πιο στενά όρια ποτέ για να ανιχνεύσουν αυτό το φαινόμενο μια μέρα. είχαν πλήρη περιγραφή των αποτελεσμάτων τους δημοσίευσε Τον Ιούνιο στο Physical Review D.
“Είναι όλα σχετικά με τη νοοτροπία στην επιστήμη, όπου ένα μηδενικό αποτέλεσμα μπορεί να έχει εξίσου αντίκτυπο με ένα θετικό”, δήλωσε στο Space.com ο Daniel Jardine, συν-συγγραφέας της μελέτης και μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Northwestern University. «Προφανώς ήταν ωραίο να βρούμε τη σκοτεινή ύλη, αλλά καταφέραμε να κόψουμε ένα νέο κομμάτι του χώρου παραμέτρων της σκοτεινής ύλης».
Σχετίζεται με: Τα «κρυμμένα» φωτόνια μπορούν να ρίξουν φως στη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη
Αυτές οι τελευταίες ανακαλύψεις σχετίζονται με τη συνεργασία Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS), μέλος της οποίας είναι ο Jardin.
Για να το θέσω εν συντομία, η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο πειραματικός ανιχνευτής SuperCDMS μπορεί τώρα να αποκλείσει τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης μέχρι περίπου Περίπου το ένα πέμπτο της μάζας ενός πρωτονίου – και πιθανώς λιγότερες μάζες.
«Πάντα μου άρεσε να κυνηγάω το άγνωστο και αυτό είναι τόσο μεγάλο όσο γίνεται», είπε η Jardine. «Είμαι πολύ χαρούμενος που η καριέρα μου με οδήγησε εδώ, και όσο σύντομη κι αν είναι, μπορώ πάντα να πω ότι αυτό το αποτέλεσμα ήταν το καλύτερο στον κόσμο μέχρι να καλύψουν αναπόφευκτα άλλες δοκιμές».
Περιμένετε, τι είναι το SuperCDMS;
Για να συλλάβει στοιχεία σωματιδίων σκοτεινής ύλης, η συνεργασία SuperCDMS συνεργάζεται με ένα πείραμα που αναφέρεται επίσης ως SuperCDMS.
Αυτό το πείραμα ουσιαστικά εκμεταλλεύεται τη δύναμη των ανιχνευτών που μπορούν να προσδιορίσουν εάν και πότε ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης (όποιο κι αν είναι) συγκρούεται με τους ατομικούς πυρήνες των υλικών που είναι ενσωματωμένα στους ίδιους τους ανιχνευτές, συγκεκριμένα είτε γερμάνιο είτε πυρίτιο.
«Ενδιαφέρομαι για το διάστημα από μικρή γιατί κάνει τα πάντα στη Γη να φαίνονται τόσο μικρά και ασήμαντα», είπε η Jardine. «Τότε έμαθα για τη σκοτεινή ύλη και δεν μπορούσα να πιστέψω ότι όλα τα αστέρια και οι γαλαξίες και τα πράγματα που βλέπουμε στον νυχτερινό ουρανό αποτελούν λιγότερο από το 5% του σύμπαντος».
Γίνοντας λίγο πιο τεχνικός, το SuperCDMS μπορεί να καθορίσει εάν αυτά τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης εμπλέκονται σε αυτό που είναι γνωστό ως «ελαστικές συγκρούσεις». Εάν το έκαναν, αυτό που θα συνέβαινε είναι ότι οποιαδήποτε ενέργεια χάνεται από το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης όταν διασπάστηκε θα μεταφερόταν στην κίνηση των επηρεαζόμενων ατομικών πυρήνων. Με τη σειρά τους, τα δύο bit θα αναπηδήσουν πίσω.
Θα ήταν σαν δύο μπάλες του μπιλιάρδου να χτυπούν η μία την άλλη μόνο για να αναπηδούν ελαφρώς προς τα πίσω στο τραπέζι, λέει ο συν-συγγραφέας της μελέτης Noah Korinsky, επιστήμονας στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC.
Αλλά εδώ είναι το θέμα.
Το SuperCDMS προφανώς δεν έχει βρει ακόμα ελαστικές συγκρούσεις – σύμφωνα με τον Jardin, θα το είχαμε ακούσει μέχρι τώρα γιατί μια τέτοια ανακάλυψη πιθανότατα θα κέρδιζε βραβείο Νόμπελ. Ωστόσο, αυτή η ομάδα ερευνητών, συμπεριλαμβανομένου του Rob Calkins, βοηθού καθηγητή στο Southern Methodist University, κατέληξε σε μια ενδιαφέρουσα ερώτηση.
Τι θα συμβεί αν το SuperCDMS πιάσει έναν άλλο τύπο σύγκρουσης που κανείς δεν έψαχνε όλο αυτό το διάστημα; Ειδικότερα, ανελαστικές συγκρούσεις.
Δεδομένων αυτών των νέων ευρημάτων, σίγουρα επρόκειτο για κάτι.
“Η αναζήτηση για ελαστικές συγκρούσεις παραμένει ο κύριος μοχλός του SuperCDMS, αλλά η εξέταση των ανελαστικών συγκρούσεων έχει ανοίξει μια λεωφόρο για έναν χώρο παραμέτρων σκοτεινής ύλης στον οποίο το πείραμα ήταν προηγουμένως μη ευαίσθητο”, εξήγησε ο Jardine.
Υπάρχουν δύο τρόποι που μπορεί να λειτουργήσει μια πιθανή σύγκρουση ανελαστικής σκοτεινής ύλης. Το πρώτο, σύμφωνα με την ομάδα, έχει να κάνει με κάτι που λέγεται Ακτινοβολία Bremsstrahlung. Στον ανιχνευτή, εάν συμβεί αυτός ο τύπος ανελαστικής σύγκρουσης, το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης θα μεταφέρει μέρος της ενέργειάς του σε ένα ελαφρύ σωματίδιο ή φωτόνιο, αντί να αναπηδήσει απλώς όπως στο παράδειγμα της μπάλας του μπιλιάρδου.
Αν και, από την άλλη πλευρά, μια ανελαστική σύγκρουση μπορεί να συμβεί μέσω κάτι που ονομάζεται Φαινόμενο μεσοχοληδίου. Εάν συνέβαινε αυτή η απελευθέρωση, ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης που χτυπούσε τον πυρήνα θα προκαλούσε τον ίδιο τον πυρήνα να εκτιναχθεί από τη θέση του, αναστατώνοντας την κατανομή του νέφους ηλεκτρονίων. Όταν επιστρέψουν στην αρχική τους θέση, μερικά από αυτά τα ηλεκτρόνια που ρέουν θα αποβληθούν.
Με τον κίνδυνο της υπεραπλούστευσης, αυτό σημαίνει ότι η ομάδα έψαχνε για σήματα SuperCDMS είτε ενός ιπτάμενου φωτονίου είτε ενός μοναχικού ηλεκτρονικού σκληρού πυρήνα.
«Δεν ήταν τόσο εύκολο όσο το μέτρημα», σημείωσε ο Jardine. “Αυτή η ανάλυση χρησιμοποίησε φασματικά σχήματα για να μοντελοποιήσει το προφίλ ισχύος του σήματος καθώς και πολλές γνωστές πηγές φόντου.”
Και μετά από όλα αυτά, η αναζήτηση βγήκε άδεια – αλλά η ιστορία δεν τελείωσε εδώ.
Ο Τζάρντιν συνέχισε, “Τότε χρησιμοποιήσαμε στατιστικά στοιχεία για να απαντήσουμε στην ερώτηση,” Ποια είναι η πιθανότητα να δούμε το σήμα στο γνωστό υπόβαθρο; Αυτή η ερώτηση επαναλαμβάνεται εκατοντάδες χιλιάδες φορές και αφήνουμε έξω τον χώρο παραμέτρων όπου θα έπρεπε να μπορούσαμε να δούμε το σήμα και δεν μπορούσαμε.
Υπάρχει πάντα μια ασημένια επένδυση
“Υπάρχουν περίπου ένα δισεκατομμύριο σωματίδια σκοτεινής ύλης που περνούν από μέσα σας κάθε δευτερόλεπτο, αλλά αλληλεπιδρούν τόσο σπάνια που δεν μπορείτε να τα καταλάβετε”, είπε ο Jardine. «Αναζητούμε μια ευκαιρία αλληλεπίδρασης 1 στα δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια».
Αν και αυτό το χρυσό εισιτήριο δεν βρέθηκε, άλλες μορφές θησαυρού ήρθαν στο φως.
Πάνω απ ‘όλα, όλες αυτές οι στατιστικές μελέτες για τα σήματα SuperCDMS κατέληξαν να παρέχουν στην ομάδα τα συμπεράσματά της σχετικά με πιθανά όρια χαμηλής μάζας για σωματίδια σκοτεινής ύλης.
“Ένα άλλο πείραμα σκοτεινής ύλης που δεν ήταν τόσο ευαίσθητο στη μάζα της σκοτεινής ύλης τόσο χαμηλή όσο το SuperCDMS για ελαστικές συγκρούσεις δημοσίευσε μια παρόμοια ανάλυση που επέκτεινε την εμβέλειά του και ισοπέδωσε τον αγωνιστικό χώρο. Διαβάζοντας αυτό, αναρωτηθήκαμε πόσο χαμηλότερα θα μπορούσαμε να πάμε αν χρησιμοποιούσαμε το την ίδια μέθοδο», είπε η Jardine.
Επιπλέον, εξήγησε, η ομάδα «πρόσθεσε περισσότερα στην ανάλυση, όπως πιο πολύπλοκα στατιστικά στοιχεία και τη συμπερίληψη αλληλεπιδράσεων με τη Γη».
Ναι, η Γη
Ίσως ακόμη πιο εντυπωσιακός είναι ο τρόπος που η ομάδα έλαβε υπόψη της όλα αυτά ΓηΗ θέση του στο διάστημα μπορεί να επηρεάσει αυτά τα σήματα της σκοτεινής ύλης.
Όπως δείχνουν, εάν η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά αρκετά έντονα με τα πράγματα, είναι πιθανό να αλληλεπιδρά κυριολεκτικά με οτιδήποτε βρίσκεται στο δρόμο της προς τους μικροσκοπικούς υπόγειους ανιχνευτές της Γης. Ένα από εκείνα τα πράγματα που είναι ώριμα για αλληλεπίδραση είναι η ατμόσφαιρα του πλανήτη μας.
Η ομάδα σκέφτηκε ότι εάν ένα σωματίδιο της σκοτεινής ύλης αλληλεπιδράσει με την ατμόσφαιρά μας, αυτή η πλανητική ασπίδα θα είχε πάρει μέρος της ενέργειας του σωματιδίου μέχρι να πάρουμε το σήμα του.
«Η σκοτεινή ύλη πιστεύεται ότι είναι περισσότερο ή λιγότερο πανταχού παρούσα σε μια μεγάλη μπάλα γύρω από τον γαλαξία», είπε ο Jardine. Το ηλιακό μας σύστημα βρίσκεται σε σπειροειδή βραχίονα Γαλαξίας Δηλαδή, η γη περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο και η γη περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της. Αυτή η αστρονομική κίνηση σημαίνει ότι η Γη περνά μέσα από μια θάλασσα σωματιδίων σκοτεινής ύλης, αλλά από την άποψή μας, τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης φαίνεται να βομβαρδίζουν συνεχώς τη Γη και τους ανιχνευτές μας».
Έτσι, οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι είναι πιθανό να υπάρχει ένα ανώτερο ενεργειακό όριο που μπορούν να διατρυπήσουν αυτά τα αλληλεπιδραστικά σωματίδια της σκοτεινής ύλης – εάν αυτά είναι αντιδραστικά, δηλαδή.
Με τη μοντελοποίηση πραγμάτων όπως η πυκνότητα της ατμόσφαιρας της Γης, συνεργαζόμενοι με γεωλόγους για να καταλάβουν ποιοι τύποι πετρωμάτων βρίσκονται πάνω από το ορυχείο της Μινεσότα όπου είναι θαμμένο το SuperCDMS και τόνους άλλων μεταβλητών, έχουν ήδη ανακαλύψει το ανώτερο ενεργειακό όριο της σκοτεινής ύλης.
“Όταν προσαρμόζετε μια γραμμή σε ορισμένα δεδομένα, υπάρχουν δύο παράμετροι: παλινδρόμηση και αναχαίτιση”, είπε ο Jardine. «Σε αυτήν την ανάλυση, είχαμε περισσότερα από 50 κριτήρια προσαρμογής ταυτόχρονα».
Όσο για το τι ακολουθεί, λοιπόν, η Jardine λέει ότι αυτή η αφαίρεση σε στυλ Σέρλοκ Χολμς θα συνεχιστεί. Και αν κάτι από αυτά έρχεται στο μυαλό σας, δώστε έμφαση σε έναν οπτικό τρόπο εξέτασης των αποτελεσμάτων της ομάδας που βάζει τα πάντα σε προοπτική.
“Αυτό το αποτέλεσμα – οι μαύρες γραμμές – αφήνει έξω έναν νέο χώρο παραμέτρων στον οποίο άλλοι δεν είχαν πρόσβαση στο παρελθόν, αλλά υπάρχει πολύ περισσότερος ανοιχτός χώρος στα αριστερά, λιγότερα μπλοκ πάνω-κάτω, που αντιπροσωπεύει λιγότερες ευκαιρίες για αλληλεπίδραση”, είπε. . Αυτά γίνονται όλο και πιο δύσκολο να διερευνηθούν, αλλά οι φυσικοί της σκοτεινής ύλης είναι έξυπνοι.
Αυτοί οι κυνηγοί της σκοτεινής ύλης έχουν σίγουρα φτάσει στα αστέρια και κατάφεραν να προσγειωθούν απαλά στο φεγγάρι.
“Ερασιτέχνης διοργανωτής. Εξαιρετικά ταπεινός web maven. Ειδικός κοινωνικών μέσων Wannabe. Δημιουργός. Thinker.”