Inne i detektoren (Bilde: Christopher Tunnell/XENON-samarbeid)
Rundt åtti-fem prosent av den saken forskere har oppdaget i universet kommer fra noe vi ikke kan føle eller se. Det er en tilsynelatende enorm mengde masse som tyngdekraften bøyer andre stjernenes lys og gjør galakser spinn merkelig. Og forskere virkelig, virkelig ønsker å vite hva dette såkalt mørk materie er.
Men hvordan gjør du oppdage noe du ikke kan se eller føle? Om mørk materie er en liten partikkel, som mange teorier forutsi, så løsningen er gigantisk beholdere med væske-xenon, et element som er vanligvis en gass ved romtemperatur, begravd dypt i mine skaft eller i fjellene. Og den største fungerende mva, et eksperiment kalt XENON1T begravet under et fjell i Gran Sasso i Italia har nettopp gitt ut sin første resultatene. Det er fortsatt ingen tegn til mørk materie—men ingen å miste håp ennå.
“Jeg tror det mest spennende er det faktum at detektoren fungerer som vi forventer,” Laura Baudis, professor ved Physik Institut av Universitetet i Zürich fortalte Gizmodo.
Men hvorfor beholdere med væske xenon? Akkurat nå, fysikere har tungtveiende grunner til å tro at mørk materie bør være en slags partikkel som bare kommuniserer svært svakt med kjernen av vanlig materie, atomer. Fysikere håper at disse partiklene vil treffe væske xenon-kjerner, som produserer lys som partikler eller banket av et elektron. Tiden mellom den første foton signal fra streik og annen foton-signal fra en gitt ut electron migrere ut av eksperimentet, bestemmer hvor i kammer mørk materie ville ha truffet. Photomultiplier rør forsterke signalet og dukke opp som en blip over noen bakgrunn på en graf.
Mystisk Mørk Materie Forblir Maddeningly Unnvikende
Jakten på det etterlengtede mørk materie fikk enda et slag tidligere i dag på en internasjonal…
Les mer
Folk på XENON1T er ikke så bekymret for mangelen på en oppdagelse ennå—resultatene, som er publisert i dag på arXiv fysikk preprint server, var bare basert på om en måned er verdt av data. Hvis du putter en stor bolle i hagen og ventet på en meteor treffer det, ville du ikke si “meteorer eksisterer ikke” bare fordi du ikke hadde fanget en i en måned. Spesielt hvis det, i tilfelle av mørk materie, meteorer passere rett gjennom bollen og den eneste måten å oppdage at du har fanget en er gjennom et svakt blip av lys kan det la på et kamera.
Det er egentlig hva disse typer fysikk-eksperimenter gjøre. Når forskere har bevist at det er ingen mørk materie på masse påvises ved eksperimentets drifts-følsomhet (som vanligvis tar et par år) de flytte til en mer følsom (les: større) detektorer. Større eksperimenter øke oddsen for å faktisk oppdage noe, og det betyr mer xenon.
“Alle er fokusert på å få det neste eksperimentet bygget. Det er vanskelig å vinne mot noen hvis detektoren er 3-4 ganger større enn deg.”
“Hver gang vi kjører vår detektor lenger eller gjøre det større, vi er å utforske mer av parameteren plass,” Christopher Tunnell, stipendiat ved Kavli Institute for Kosmologiske Fysikk ved University of Chicago, fortalte Gizmodo. “Du er i stand til å si mørk materie er ikke dette eller er det ikke dette.”
Du er sikkert lurer på, hvis disse detektorene er så følsom, hvordan vet de at de har oppdaget mørk materie og ikke noe annet? University of California, San Diego XENON1T prinsippet etterforsker Kaixuan Ni forklarte meg at stråling kan komme fra hvor som helst og forårsake et signal i detektoren, så XENON1T er begravd dypt under jorden for å holde ut i løse partikler fra verdensrommet. Forskerne lærer også hva som naturlig forekommende atomer av radioaktive elementer kan se ut i detektoren, slik at de kan kutte noen av disse signalene ut i løpet av data-analyse. XENON1T er også skjermet av vann, og sin nyeste resultatene omfatter kun data fra midten av detektoren, ved hjelp av de ytre lag av XENON som ytterligere skjerming.
Dette har lenge vært den måte fysikere har sakte blitt utelukke mulige egenskaper som mørk materie-partikler har hatt. XENON1T står for XENON 1 tonn, fordi den inneholder massevis (vel, faktisk litt mer enn tre tonn) av væske xenon. Det pleide å bli kalt XENON100, og før det XENON10. Konkurrerende detektorer er ute etter mørk materie partikler på lignende måter—den Store T-Xenon eksperiment (LUX) avsluttet sin mørk materie søk uten en partikkel til å vise for det i fjor sommer, og er nå oppgraderer til “LZ.” Så er det PandaX (igjen, en merverdiavgift på xenon) og andre som bruker en annen edle gass, argon. Disse edle gasser som er brukt fordi de slipper lys og elektroner når de er smacked, ifølge en artikkel i symmetri magazine.
Folk fra LUX/LZ eksperiment og andre utenfor fysikk samfunnet har vært betalende oppmerksomhet til konkurransen. XENON er først ut av porten til den nyeste utgaven av disse eksperimenter. “Dette er det neste generasjon som kommer ut av sin barndom i en viss forstand,” Bob Jacobsen, fysiker ved University of California, Berkeley, som jobber på LUX og LZ, fortalte Gizmodo. “De er ikke bare viser at photomultiplier rør fungerer, men å faktisk gjøre fysikk.” Og mens du ikke snakker på vegne av LZ, sa Jacobsen trykket er sikkert på, nå. “Alle er fokusert på å få det neste eksperimentet bygget. Det er vanskelig å vinne mot noen hvis detektoren er 3-4 ganger større enn deg.”
Andre mente de nye resultatene var ikke et stort sprang, men likevel. Kathryn Zurek, teoretisk fysiker ved Lawrence Berkeley National Laboratory i California, fortalte meg at XENON1T resultater bare så vidt presset forbi fjorårets LUX resultater, noe som er utelukket mørk materie-partikler innen en viss masse utvalg. Hun gjorde påpeke at disse svakt-samspill mørk materie detektorer er nå i “jobbmodus”,” tøffer langs på jakt etter hint av partikler.
Men, som med den “konkurrerende” ATLAS og CMS eksperimenter på Large Hadron Collider som i fellesskap oppdaget Higgs-bosonet, det er viktig å ha noen uavhengig verifikasjon i n tilfelle av en oppdagelse. “Vi trenger to eksperimenter,” sa Ni. “Hvis XENON1T oppdager mørk materie signaler, så LZ kan bekrefte det.”
Som disse eksperimentene blir større, folk begynner å føle presset av hva som kan skje dersom vi ikke klarer å oppdage mørk materie. “Du kan ikke gjøre dette for alltid,” sa Tunnell. “Du lurer på om kanskje mørk materie er forskjellig fra hva du forventer den skal være.” Med andre ord, ikke et svakt-partikkel vekselvirkning. Forskere er ikke på det nivået ennå, sa Baudis, og jobber mot den ultimate mørk materie detektor, heter DARWIN. Men når disse eksperimentene får sensitive nok til at små partikler som kommer fra solen og verdensrommet kalt “neutrinos” begynner å slå opp som treff i detektoren, så kan det være på tide å kaste inn håndkleet. “Hvis vi ikke har sett noen mørk materie [av] da, så det ville være for mange neutrinos,” sa hun. Det er ikke en vanskelig cutoff, sa Zurek, men det ville ta en hel masse mer xenon for å jakte på en liten mørk materie partikkel samhandling i neutrino havet.
“Så spørsmålet kommer til å bli etter LZ er bygget: Er vi på vei til å bygge en ny generasjon av eksperimenter?” spurte Zurek. “Nå er vi snakker om mengder av xenon komme til å bli en nontrivial brøkdel av verdens forsyning.”
I så fall, forskere trenger å lete etter mørk materie på forskjellige måter. Dette er noe forskerne er allerede å diskutere, sa Zurek.
Men vi er ikke der ennå—gjeldende xenon vats er på jakt i “sweet spot” hvor svakt-samspill mørk materie kan kommunisere med våre eksperimenter via partikler som vi vet om og kan oppdage. Så for nå, jakten er på. Sa Baudis: “Vi rett og slett ikke har noen måte å vite før vi ser.”
[arXiv]