Kazalo:
Skrivnostni učinki nove generacije detektorjev temne snovi bi lahko naznanili revolucionarno odkritje. V zadnjem letu so znanstveniki, ki delajo s temi detektorji, nenadoma opazili povečanje ali presežek izpostavljenosti nizki energiji.
Znanstvenikom tudi po desetletjih mukotrpnega iskanja ni uspelo najti niti enega delca temne snovi. Znanstveniki dajejo skoraj "železne" dokaze o obstoju te oblike snovi, vendar do danes ni bilo mogoče ugotoviti, iz česa je pravzaprav sestavljena. Fiziki se že več desetletij držijo hipoteze, da je temna snov težka in je sestavljena iz tako imenovanih šibko medsebojno delujočih masivnih delcev - WIMP, ki naj bi jih v laboratorijskih pogojih zlahka zaznali.
Kljub dolgoletnim mukotrpnim raziskavam znanstvenikom še ni uspelo najti WIMP. In fiziki so se za iskanje lotili s še večjim navdušenjem. Ker raziskovalci izvajajo vse natančnejše poskuse in zbirajo več podatkov, se ponovno ocenjuje hipoteza, ki osvetljuje, kako bi detektorji lahko zajeli delce temne snovi, ki so lažji od protona. In v začetku tega leta na strežniku za tiskanje arXiv. org, sta bila objavljena dva prispevka, ki sta postala simbol sprememb v fiziki. V teh člankih avtorji prvič predlagajo, da se prizadevanja osredotočijo na iskanje plazmonov (skupnih gibov elektronov v snovi), ki jih proizvaja temna snov.
Prvi od člankov je napisala skupina znanstvenikov, specializiranih za preučevanje temne snovi v Nacionalnem laboratoriju za pospeševanje. Enrico Fermi (Fermilab) v Bataviji, Illinois, pa tudi strokovnjaki z Univerze v Illinoisu v Urbana-Champaign in z Univerze v Chicagu. Znanstveniki so domnevali, da temna snov z nizko maso lahko ustvari plazmone, te delce pa je mogoče zajeti z uporabo nekaterih detektorjev. Navdihnjena s tem revolucionarnim dokumentom sta fizika UC San Diego Tongyan Lin in Jonathan Kozaczuk izračunala verjetnost, da bodo detektorji sposobni zaznati temno snov z nizko maso.
"Kričimo" Plasmon, plasmon, plasmon! "Ker nam bo ta zanimiv pojav po našem mnenju pomagal razložiti poskuse s temno snovjo," je dejal soavtor prvega članka in strokovnjak za temno snov Gordan Krnjaic iz Fermilab in Inštitut za kozmološko fiziko Kavli na Univerzi v Chicagu. Fiziki delcev skupaj z astrofiziki že desetletje razmišljajo o problemu odkrivanja temne snovi z majhno maso., temna snov.
"Mislim, da je to super," vzklikne Yonit Hochberg, teoretski fizik na Hebrejski univerzi v Jeruzalemu, ki je komentiral rezultate, ki jih je dosegla Krnjajčeva ekipa (čeprav Yonit ni bil neposredno vključen v noben od omenjenih člankov). "Dejstvo, da obstajajo [plazmoni], ki so sposobni delovati na neznan način, je po mojem mnenju izredno pomemben rezultat, ki resnično zahteva nadaljnjo študijo."
Nekateri znanstveniki na rezultate prvega objavljenega članka gledajo z veliko skepso. Kot je na primer zapisala Kathryn Zurek, raziskovalka temne snovi na Kalifornijskem tehnološkem inštitutu, me članek "ne prepriča ravno" in dodala: "Samo ne razumem, kako deluje." (Dodajamo, da tudi Zurek ni sodeloval pri pisanju teh člankov).
Eden od soavtorjev prvega članka Noah Kurinsky, ki se ukvarja z eksperimentalnimi dejavnostmi na področju študij temne snovi v Fermilabu in na Inštitutu za kozmološko fiziko. Kavli, meni, da kritično mnenje strokovnjakov sploh ni nič nenavadnega. »Zadali smo jim nalogo: dokazati, da se motim. In verjamem, da bo to zelo koristilo raziskavam, ki se izvajajo na tem področju fizike. To bi morali poskušati storiti, «pravi Kurinski.
Združite prizadevanja
Lov na nevidno snov, ki skoraj ne pušča sledi, običajno poteka nekako takole: da bi zaznali delce temne snovi, fiziki vzamejo kos nekega materiala, ga postavijo nekam globoko pod zemljo, ga povežejo z opremo in nato počakajo v upam, da popravim signal. Znanstveniki zlasti upajo, da bo delček temne snovi udaril neposredno v detektor, kar bo povzročilo elektrone, fotone ali celo toploto, ki jo lahko zazna naprava.
Teoretični pristopi do odkrivanja temne snovi so bili opisani v članku iz leta 1985; opisano je, kako je mogoče detektor nevtrina ponovno uporabiti za iskanje delcev temne snovi. Kot je prikazano v tem članku, lahko vhodni delček temne snovi zadene atomsko jedro snovi, iz katere je izdelan detektor, in mu da impulz, tako kot ena biljardna krogla, ki trči v drugo, daje impulz zadnji izmed njih. Zaradi tega trka bi temna snov, ki bi dovolj močno udarila v jedro, dala zagon, zaradi česar bi izletel elektron ali foton.
Pri visokih energijah se vse izkaže odlično. Atome v detektorju lahko gledamo kot proste delce, ločene in med seboj nepovezane. Pri nižjih energijah pa se slika spremeni.
"Toda detektorji niso narejeni iz prostih delcev," ugotavlja soavtorica prvega članka Yonatan Kahn z Univerze v Illinoisu v Urbana-Champaign, ki proučuje temno snov. "Narejene so iz zelo specifičnega materiala. Zato morate imeti vse informacije o tem materialu, če želite natančno razumeti, kako vaš detektor dejansko deluje."
Znotraj detektorja bo delček temne snovi majhne mase še vedno prenašal zagon, vendar se zaradi udarca preostali delci ne bodo razpršili kot kroglice v biljardu, ampak bodo začeli vibrirati. Z drugimi besedami, tukaj je primernejša analogija žoge za namizni tenis.
"Takoj ko preidemo na temno snov z manjšo maso, se tukaj začnejo pojavljati drugi, bolj subtilni učinki," pojasnjuje Lin. Ti subtilni učinki pomenijo tisto, kar fiziki radi rečejo "kolektivno vzbujanje". In pomen tukaj je naslednji: če se več delcev giblje hkrati med seboj, jih je primerneje opisati kot eno samo celoto, recimo kot zvočni val, sestavljen iz številnih vibrirajočih atomov.
Če se elektroni začnejo obnašati na ta način, v tem primeru nastanejo plazmoni. Če skupina atomskih jeder začne vibrirati, se njihovo skupno vzbujanje imenuje fonon. S tem pojavom se običajno srečujejo astrofiziki in fiziki z visoko energijo, ki preučujejo temno snov; vendar menijo, da je to brez veze.
Toda, kot je nekoč pripomnil pokojni Nobelov nagrajenec za fiziko Philip Anderson, "več pomeni drugače", torej govorimo o priznanju dejstva, da ima lahko sistem, ko raste, popolnoma drugačne zakone vedenja [to pomeni članek Philipa Andersona, 1972. "Več je drugače", se pravi, Več je drugače, - pribl. prevod.]. Na primer, kapljica vode se obnaša zelo drugače kot ena molekula vode (H2O). "Popolnoma sem prežet s tem konceptom," pravi Yonathan Kahn.
Pristopi k proizvodnji plazmona, uporabljeni v obeh prispevkih, se med seboj nekoliko razlikujejo. Avtorji pa pridejo do istega zaključka: res moramo iskati signale, ki kažejo na proizvodnjo plazmonov. Zlasti po izračunih Lina in Kozačuka bi bila stopnja tvorbe plazmona s temno snovjo majhne mase približno ena desettisočaka hitrosti pojavljanja elektrona ali fotona. Ta vrednost se morda zdi malo verjetna, vendar je za fizike precej natančna.
Povečanje energije v temi
Do nedavnega so najbolj občutljivi detektorji za odkrivanje temne snovi uporabljali velikanske rezervoarje tekočega ksenona. Vendar pa jih je v zadnjih nekaj letih zamenjala nova generacija manjših polprevodniških detektorjev. Znani so po kraticah EDELWEISS III, SENSEI in CRESST-III in so izdelani iz materialov, kot so germanij, silicij in sheelit. Takšni detektorji so občutljivi na trke s temno snovjo, kar lahko povzroči le en elektron.
Toda vsi detektorji, ne glede na stopnjo zaščite, so občutljivi na zunanji hrup, katerega viri so lahko na primer sevanje v ozadju. Tako so v zadnjem letu znanstveniki, ki so delali z več detektorji temne snovi, nenadoma začeli beležiti povečanje ali presežek števila nizkoenergijskih vplivov, vendar so to dejstvo prešli v tišini.
Članek Kurinskega in njegovih kolegov je prvič opazil izjemno podobnost med tako nizkoenergijskimi "presežki", ki so jih opazili v različnih poskusih s temno snovjo. Zdi se, da so nekateri od teh presežkov koncentrirani okoli 10 hercev na kilogram mase detektorja. In ker so detektorji izdelani iz različnih materialov, se nahajajo na popolnoma različnih mestih in delujejo drug v drugem, potem skorajda ni univerzalnega razloga za to nenavadno konsistenco, razen subtilnega vpliva temne snovi. Naslednja znanstvena razprava je pritegnila pozornost drugih fizikov, na primer Lin, ki so se hitro lotili matematike, povezane s plazmonom. Toda tudi Lin dvomi: kaj pa če rezultati poskusov, ki so bili izvedeni v tem trenutku, kažejo, da plazmonov ne ustvarja temna snov, ampak nekaj drugega? "Ne pravim, da temna snov ni vzrok. Pravim samo, da se mi zdi temna snov doslej neprepričljiv dejavnik, «pravi Lin.
Ta hipoteza bo večkrat preizkušena in ponovno preverjena, saj novi podatki prihajajo iz najnovejših detektorjev temne snovi. Ni pa pomembno, ali detektorji trenutno odkrivajo skrivnostno snov ali ne. Zdaj znanstveniki, ki delajo na tem področju fizike, preučujejo plazmone in druge načine obnašanja temne snovi majhne mase. Raziskave so v teku.
"Ne izključujem, da smo naredili veliko napak, vse pa vzbujajo zanimanje zase," pravi Krzaych.
