De binnenzijde van de detector (Afbeelding: Christopher Tunnell/de XENON-collaboratie)
Ongeveer tachtig procent van de materie wetenschappers hebben ontdekt in het heelal komt van iets wat we niet kunnen voelen of zien. Het is een schijnbaar enorme hoeveelheid massa waarvan de zwaartekracht bochten andere sterren’ licht en maakt sterrenstelsels spin vreemd. En wetenschappers echt wilt weten wat deze zogenaamde donkere materie is.
Maar hoe doe je het detecteren van iets wat je niet kan zien of voelen? Als donkere materie is een kleine deeltjes, als vele theorieën voorspellen, dan is de oplossing gigantische vaten met vloeibaar xenon, een element dat is meestal een gas bij kamertemperatuur, diep begraven in de mijnschachten of in de bergen. En de grootste werking van de btw, een experiment genaamd XENON1T begraven onder een berg Gran Sasso, Italië heeft zojuist zijn de eerste resultaten. Er is nog steeds geen teken van de donkere materie—maar geen één is het verlies nog hoop.
“Ik denk dat de meest opwindende ding is het feit dat de detector werkt zoals we verwachten,” Laura Baudis, professor aan de Physik Institut van de Universiteit van Zürich vertelde Gizmodo.
Maar waarom vaten met vloeibaar xenon? Nu, natuurkundigen dwingende redenen om te geloven dat donkere materie moet een soort deeltje dat alleen samenwerkt zeer zwak met de kern van de normale materie atomen. Natuurkundigen hopen dat die deeltjes zal raken van de vloeistof xenon kernen, de productie van lichte deeltjes stoten uit een elektron. De tijd tussen de eerste foton signaal van de staking en het andere foton signaal van een uitgebracht electron migreren van het experiment bepaalt waar in de kamer van de donkere materie zou hebben geslagen. Photomultiplier buizen versterkt het signaal en als een blip boven een bepaalde achtergrond op een grafiek.
Mysterieuze Donkere Materie Blijft Irritant Ongrijpbare
De jacht op de mysterieuze donkere materie kreeg nog een klap eerder vandaag op een internationaal…
Lees meer
Mensen bij XENON1T niet al te bezorgd over het ontbreken van een detectie-nog—hun resultaten vandaag gepubliceerd op de arXiv natuurkunde preprint server, waren alleen gebaseerd op de over een maand is de moeite waard van gegevens. Als je een grote kom in uw achtertuin, en wachtte voor een meteoor te raken, zou je niet zeggen “meteoren bestaan niet” alleen maar omdat je het nog niet had gevangen in een maand. Vooral als, in het geval van donkere materie, de meteoren langs rechts door de kom en de enige manier om te detecteren dat je betrapt is door een zwakke blip van licht het misschien wel op een camera.
Dat is in wezen wat deze soort van de fysica experimenten te doen. Zodra wetenschappers hebben bewezen dat er geen donkere materie in de massa aantoonbaar door het experiment de operationele gevoeligheid (dat duurt meestal een paar jaar) ze gaan naar een meer gevoelige (lees: groter) detectoren. Grotere experimenten verhogen de kans op het daadwerkelijk opsporen van iets, en dat betekent meer xenon.
“Iedereen is erop gericht om het volgende experiment gebouwd. Het is moeilijk om te winnen tegen iemand waarvan de detector is 3-4 keer groter dan de jouwe.”
“Elke keer als we onze detector langer of maak het groter, verkennen we meer van de parameter ruimte,” Christopher Tunnell, fellow aan het Kavli Instituut voor Kosmologische Natuurkunde aan de Universiteit van Chicago, vertelde Gizmodo. “Je bent in staat om te zeggen dat donkere materie niet dit of het is dat niet.”
Je vraagt je misschien af, als deze detectoren zijn zo gevoelig, hoe weten ze hebt gespot donkere materie en niet iets anders? Universiteit van Californië, San Diego, XENON1T principe onderzoeker Kaixuan Ni legde me uit dat straling kan overal vandaan komen en leiden tot een signaal in de detector, dus XENON1T is diep in de grond begraven houden van de losse deeltjes uit de ruimte. De wetenschappers leren ook wat van nature voorkomende atomen van de radioactieve elementen eruit zou kunnen zien in de detector, zodat ze kunnen knippen elk van de signalen tijdens de data-analyse. XENON1T is ook afgeschermd door water, en de nieuwste resultaten bevatten alleen gegevens uit het midden van de detector met behulp van de buitenste lagen van de XENON als extra afscherming.
Het is de manier waarop natuurkundigen hebben langzaam zijn uitspraak uit de mogelijke eigenschappen die donkere materie deeltjes hebben gehad. XENON1T staat voor XENON 1 ton, want het bevat een hoop (goed, eigenlijk een beetje meer dan drie ton) van vloeibaar xenon. Het heette de XENON100, en voordat dat XENON10. Concurrerende detectoren zijn op zoek naar donkere materie deeltjes op een vergelijkbare manier—de Grote Ondergrondse Xenon experiment (LUX) klaar is met haar donkere materie zoeken zonder een deeltje aan te tonen voor het laatste zomer, en is momenteel te upgraden naar “LZ.” Dan is er PandaX (nogmaals, een btw van xenon) en anderen die gebruik maken van een ander edelgas argon. Deze edele gassen worden gebruikt, omdat ze vrij licht en elektronen als ze geslagen, volgens een artikel in symmetrie magazine.
Mensen van het LUX/LZ experiment en anderen buiten de natuurkunde gemeenschap zijn aandacht voor de wedstrijd. XENON is een van de eerste van de poort van de nieuwste iteratie van deze experimenten. “Dit is de volgende generatie die uit zijn kindertijd, in zekere zin,’ Bob Jacobsen, fysicus aan de Universiteit van Californië, Berkeley, die werkt op LUX en LZ, vertelde Gizmodo. “Ze zijn niet alleen laten zien dat photomultiplier buizen werken, maar het ook daadwerkelijk doen van de fysica.” En terwijl niet spreken namens LZ, Jacobsen, zei de druk is zeker op, nu. “Iedereen is erop gericht om het volgende experiment gebouwd. Het is moeilijk om te winnen tegen iemand waarvan de detector is 3-4 keer groter dan de jouwe.”
Anderen dachten dat de nieuwe resultaten waren niet een enorme sprong, maar toch. Kathryn Zurek, theoretisch natuurkundige aan de Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië, vertelde me dat XENON1T de resultaten nauwelijks geduwd verleden vorig jaar de LUX-resultaten, die regeerde uit donkere materie deeltjes binnen een bepaalde massa. Ze deed dat deze zwak-interactie donkere materie detectoren zijn nu in de “productie-modus,” puffend langs op zoek naar tips van de deeltjes.
Maar, zoals met de “concurrerende” ATLAS-en CMS-experimenten in de Large Hadron Collider die samen het ontdekte Higgs-boson, het is belangrijk om een aantal onafhankelijke verificatie i n het geval van een ontdekking. “We moeten twee experimenten,” zei Ni. “Als XENON1T ontdekt donkere materie signalen, dan LZ kunnen bevestigen.”
Als deze experimenten worden steeds groter, mensen beginnen te voelen de druk van wat er zou kunnen gebeuren indien we niet ontdekken donkere materie. “Je kan dit niet altijd,” zei Tunnell. “Je vraagt je af of misschien de donkere materie is anders dan wat u ervan verwacht.” In andere woorden, niet een zwak interagerende deeltjes. Wetenschappers zijn niet op dat niveau nog, zei Baudis, en werken in de richting van de ultieme donkere materie detector, genaamd DARWIN. Maar zodra deze experimenten krijgen gevoelig genoeg dat kleine deeltjes afkomstig van de zon en ruimte genaamd “neutrino ‘ s” beginnen te draaien als hits in de detector, dan is het misschien tijd om te gooien de handdoek in de ring. “Als we nog niet gezien van donkere materie [door] dan, dan zou het te veel neutrino’ s,” zei ze. Het is niet een harde grenswaarde, zei Zurek, maar het zou nog een hele hoop meer xenon te jagen voor een kleine donkere materie-deeltje-interactie in de neutrino zee.
“De vraag is dus van plan om na LZ is gebouwd: gaan we bouwen een nieuwe generatie van experimenten?” vroeg Zurek. “Nu praten we over hoeveelheden xenon krijgen van een niet-triviaal fractie van de wereld.”
In dat geval, wetenschappers zou de behoefte om te jagen voor de donkere materie op verschillende manieren. Dit is iets waar wetenschappers al bespreken, zei Zurek.
Maar we zijn er niet gewoon nog niet—de huidige xenon vaten zijn jacht in “sweet spot”, waar zwak interactie donkere materie zou kunnen communiceren met onze experimenten via deeltjes die we kennen en kunnen detecteren. Dus voor nu, de jacht op. Zei Baudis: “We hebben simpelweg geen manier om te weten totdat we kijken.”
[arXiv]