Inde i detektoren (Billede: Christopher Tunnell/XENON-samarbejde)
Omkring femogfirs procent af de spørgsmål, forskerne har registreret i universet kommer fra noget, vi ikke kan mærke eller se. Det er en tilsyneladende enorm mængde masse, hvis tyngdekraften bøjer andre stjerner, lys og gør galakser spin mærkeligt. Og forskere virkelig, virkelig ønsker at vide, hvad denne såkaldte mørke stof er.
Men hvordan kan du afsløre noget, du ikke kan se eller føle? Hvis mørkt stof er en lille partikel, som mange teorier forudsiger, så løsningen er kæmpe kar med flydende xenon, et element, der er normalt en gas ved stuetemperatur, dybt begravet i mineskakter eller i bjergene. Og den største fungerende moms, et eksperiment kaldes XENON1T begravet under et bjerg Gran Sasso i Italien har netop udgivet sin første resultater. Der er stadig ingen tegn på mørkt stof—men der er ingen, der ved at miste håbet endnu.
“Jeg tror, det mest spændende er det faktum, at detektoren fungerer som vi forventer,” Laura Baudis, professor i Physik Institut ved Universitetet i Zürich fortalte Gizmodo.
Men hvorfor beholdere for flydende xenon? Lige nu, fysikere har tvingende grunde til at tro, at mørkt stof skulle være en slags partikel, der kun vekselvirker meget svagt med kernen af regelmæssig-sagen atomer. Fysikere er håb om, at disse partikler vil ramme flydende xenon kerner, der producerer lys-partikler, eller at banke off en elektron. Tiden mellem den første foton signal fra den strejke, og en anden foton signal fra en udgivet electron at flytte ud af forsøget, der afgør, hvor i salen til det mørke stof, ville have ramt. Fotomultiplikatorrør forstærke signalet og vise sig som en blip over nogle af baggrunden på en graf.
Mystiske Mørke Stof Er Fortsat Undvigende Maddeningly
Jagten på de flygtige mørkt stof har modtaget endnu et slag tidligere i dag i en international…
Læs mere
Folk på XENON1T er ikke alt for bekymret over den manglende påvisning bare endnu—deres resultater, der er offentliggjort i dag på arXiv fysik preprint server, var kun baseret på, om en måned værd af data. Hvis du sætte en stor skål i din baghave, og ventede på, at en meteor at ramme det, du ikke ville sige “meteorer, ikke eksisterer”, bare fordi du ikke havde fanget en i en måned. Især hvis, i tilfælde af mørkt stof, meteorer passere lige gennem skålen og den eneste måde at opdage, at du har fanget den ene er gennem en svag blip af lys det kunne lade på et kamera.
Der er det væsentlige, hvad disse typer fysik eksperimenter gøre. Når forskere har vist, at der er ingen mørke stof ved den masse, der kan påvises ved eksperimentet ‘ s operativsystem-følsomhed (det tager normalt et par år) de bevæger sig ind på mere følsomme (læs: større) detektorer. Større eksperimenter øge odds for rent faktisk at opdage noget, og det betyder, at mere xenon.
“Alle er fokuseret på at få den næste eksperiment bygget. Det er svært at vinde mod en person, hvis detektoren er 3-4 gange større end jeres.”
“Hver gang, vi kører vores detektor, der er længere eller gøre det større, vi er ved at udforske mere af den parameter plads,” Christopher Tunnell, fellow ved Kavli Institute for Kosmologiske Fysik ved University of Chicago, fortalte Gizmodo. “Du er i stand til at sige, at mørkt stof er ikke dette, eller det er det ikke.”
Du er formentlig undrende, hvis disse detektorer er så følsomme, hvordan de ved, at de har spottet mørkt stof og ikke noget andet? University of California, San Diego ‘ s XENON1T princippet investigator Kaixuan Ni forklarede mig, at stråling kan komme fra hvor som helst og forårsage et signal i detektoren, så XENON1T er begravet dybt nede i undergrunden for at holde sig omstrejfende partikler fra rummet. Forskerne også lære, hvad der er naturligt forekommende atomer af radioaktive elementer kan se ud i detektoren, så de kan skære nogle af disse signaler ud i data-analyse. XENON1T er også beskyttet af vand, og de nyeste resultater kun omfatter data fra midten af detektoren, ved hjælp af de ydre lag af XENON som yderligere afskærmning.
Det har længe været den måde, fysikerne har langsomt blevet herskende ud af de mulige egenskaber, at mørkt stof partikler har haft. XENON1T står for XENON 1 ton, fordi det indeholder et ton (godt, faktisk lidt mere end tre tons) af flydende xenon. Det plejede at blive kaldt XENON100, og før det XENON10. Konkurrerende detektorer, der er på udkig efter mørkt stof-partikler, der på lignende måder—den Store Underjordiske Xenon eksperiment (LUX) færdig med sin mørke stof søgning uden at en partikel til at vise for det sidste sommer, og er i øjeblikket ved at opgradere til “LZ.” Så er der PandaX (igen, en moms af xenon) og andre, der bruger en anden ædelgas, argon. Disse ædle gasser, der er brugt, fordi de slipper lys og elektroner, når de er klasket, ifølge en artikel i symmetri magasin.
Folk fra LUX/LZ eksperimentere og andre uden for fysik fællesskab har været meget opmærksomme på den øgede konkurrence. XENON er første ud af porten af den nyeste iteration af disse eksperimenter. “Dette er næste generation, der kommer ud af sin barndom i en vis forstand,” Bob Jacobsen, fysiker på University of California, Berkeley, der arbejder på LUX og LZ, fortalte Gizmodo. “De er ikke bare at vise, at fotomultiplikatorrør arbejder, men rent faktisk at gøre fysik.” Og selv om vi ikke taler på vegne af LZ, Jacobsen sagde presset er helt sikkert på, nu. “Alle er fokuseret på at få den næste eksperiment bygget. Det er svært at vinde mod en person, hvis detektoren er 3-4 gange større end jeres.”
Andre mente, at de nye resultater ikke var et stort spring, men alligevel. Kathryn Zurek, teoretisk fysiker ved Lawrence Berkeley National Laboratory i Californien, fortalte mig, at XENON1T resultater kun knap skubbet forbi sidste års LUX resultater, som udelukket, at mørkt stof-partikler, der inden for en bestemt masse udvalg. Hun gjorde påpege, at disse svagt-interagerende mørkt stof detektorer er nu i “produktion tilstand,” tøffede udkig efter antydninger af partikler.
Men, som med “konkurrerende” ATLAS og CMS-eksperimenterne ved Large Hadron Collider, der sammen opdagede Higgs-partiklen, er det vigtigt at have nogle uafhængig verifikation i n tilfælde af en opdagelse. “Vi har brug for to eksperimenter,” sagde Ni. “Hvis XENON1T opdager mørkt stof signaler, så LZ kan bekræfte det.”
Da disse eksperimenter bliver større, folk er begyndt at føle sig presset af, hvad der kan ske, bør vi undlader at opdage mørke stof. “Du kan ikke gøre det for evigt,” sagde Tunnell. “Du spekulerer på, hvis du måske er det mørke stof er forskellig fra, hvad du forventer, det skal være.” Med andre ord, ikke et svagt-interagerende partikel. Forskere er ikke på det niveau endnu, sagde Baudis, og arbejder hen imod den ultimative dark matter detektor, kaldte DARWIN. Men når disse eksperimenter få følsomme nok til, at bittesmå partikler, der stammer fra solen og det ydre rum kaldet “neutrinoer” begynder at dukke op som hits i detektoren, så er det måske på tide at smide håndklædet i ringen. “Hvis vi ikke har set noget mørkt stof [af] så, så ville det være alt for mange neutrinoer,” sagde hun. Det er ikke en hård cutoff, siger Zurek, men det ville tage en hel masse mere xenon til at jage for en lille mørk stof-partikel interaktion i neutrino over havet.
“Så spørgsmålet er, vil blive, efter LZ er bygget om vi kommer til at bygge næste generation af eksperimenter?” spurgte Zurek. “Nu vi taler om mængder xenon komme til at være en nontrivial brøkdel af verdens forsyning.”
I det tilfælde, at forskerne ville nødt til at jage for mørkt stof på forskellige måder. Dette er noget, som forskere allerede at diskutere, siger Zurek.
Men vi er der ikke endnu—den nuværende xenon beholdere, der er på jagt i “at sweet spot”, hvor svagt-interagerende mørkt stof kan kommunikere med vores eksperimenter via partikler, vi kender og kan afsløre. Så for nu, jagten er på. Sagde Baudis: “Vi har simpelthen ingen mulighed for at vide, før vi ser”.
[arXiv]