Donkere materiejagers kijken binnen rotsen voor nieuwe aanwijzingen


In bijna twee een tiental ondergrondse laboratoria verspreid over de aarde, met behulp van vaten van vloeistof of blokken metaal en halfgeleiders, wetenschappers zijn op zoek naar bewijs van donkere materie. Hun experimenten worden ingewikkelder en de zoektocht wordt nauwkeuriger, maar afgezien van een veelbetwist signaal afkomstig van een laboratorium in Italië, heeft niemand direct bewijs gevonden van het mysterieuze materiaal waarvan gedacht wordt dat het 84 procent van de zaak uitmaakt in het universum.

Een nieuwe studie suggereert dat we dieper moeten kijken.

Quanta Magazine


auteur foto

Wat betreft

Oorspronkelijke verhaal herdrukt met toestemming van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke publicatie van de Simons Foundation wiens missie het is om het publieke inzicht in de wetenschap te vergroten door onderzoekontwikkelingen en trends in wiskunde en de fysische en levenswetenschappen te behandelen.

Donkere materie is anders dan reguliere, baryonische materie – het spul dat sterren, melkwegstelsels, honden, mensen en al het andere maakt – omdat het niets anders doet dan door de zwaartekracht (en misschien de zwakke kernkracht). We kunnen het niet zien, maar natuurkundigen zijn er vrijwel zeker van dat het er is, beeldhouwende sterrenstelsels en hun paden door de kosmos.

Gedurende vele decennia zijn de favoriete kandidaten voor donkere materiedeeltjes hypothetische verlegen dingen die zwak interagerende massieve deeltjes of WIMP's worden genoemd. Veel experimenten zoeken naar hen door te zoeken naar bewijs dat er een WIMP voorbij is gekomen en de gewone materie omver gooide. In dit scenario zou een WIMP via de zwakke kracht op een atoomkern tikken. De geschrokken kern zou dan terugdeinzen en een of andere vorm van energie uitstoten, zoals een lichtflits of een geluidsgolf. Het detecteren van dergelijke nauwelijks waarneembare verschijnselen vereist gevoelige instrumenten, meestal diep in de grond begraven. Dit is meestal zo dat de instrumenten worden afgeschermd van eigenzinnige kosmische straling, die ook kernen terugdeinst.

Na tientallen jaren te hebben gezocht naar deze vage pings, hebben wetenschappers er weinig hard bewijs voor. Nu heeft een team van natuurkundigen in Polen, Zweden en de VS een ander idee. Kijk niet naar het germanium en het xenon en de scintillatoren in detectoren begraven onder de aardkorst, ze beweren: kijk naar de aardkorst zelf. In het rockrecord, waar verhalen over het verleden van ons zonnestelsel lagen begraven, kunnen we de gefossiliseerde terugslag vinden van geschrokken atoomkernen, de bevroren voetafdrukken van een WIMP.

"We zijn altijd op zoek naar alternatieve manieren om dingen te doen," zei Katherine Freese, een theoretisch fysicus aan de Universiteit van Michigan en architect van de ideeën achter enkele van de bestaande detectoren in werking.

Katherine Freese heeft een aantal ideeën ontwikkeld voor detectoren voor donkere materie. Sommige van haar ideeën zijn omgezet in experimenten.

Een ondergrondse paleodetector zou volgens Freese en haar collega's op dezelfde manier werken als de huidige directe detectiemethoden. In plaats van een laboratorium met een groot volume aan vloeistof of metaal af te bouwen om WIMP-terugstoot in real time te observeren, zouden ze op zoek gaan naar fossiele sporen van WIMP's die in atoomkernen dreunen. Als kernen terugdeinzen, zouden ze in sommige klassen van mineralen sporen van schade achterlaten.
Als de kern met voldoende kracht terugdeinst en als de atomen die verstoord zijn dan diep in de aarde worden begraven (om het monster te beschermen tegen kosmische straling die de gegevens kan modderigen), dan zou de terugloopbaan kunnen worden behouden. Als dat zo is, kunnen onderzoekers de steen opgraven, lagen van de tijd weghalen en het lang geleden plaatsvindende evenement verkennen met behulp van geavanceerde nanotechnologie, zoals atoomkrachtmicroscopie. Het eindresultaat zou een fossiel nummer zijn: de tegenpartij in de donkere materie om de voetafdruk van een sauropod te vinden toen deze uit een roofdier vluchtte.

Tiny Taps

Ongeveer vijf jaar geleden begon Freese ideeën te verzamelen voor nieuwe meldertypen met Andrzej Drukier, een natuurkundige nu aan de Universiteit van Stockholm, die zijn carrière begon met het bestuderen van detectie van donkere materie voordat hij naar biofysica draaide. Een van hun ideeën, samen met de bioloog George Church bedacht, bestond uit detectoren voor donkere materie op basis van DNA- en enzymreacties.

In 2015 reisde Drukier naar Novosibirsk, Rusland, om te werken aan een prototype van een biologische detector die onder het aardoppervlak zou worden gehuisvest. In Rusland hoorde hij van boorgaten die tijdens de Koude Oorlog werden geboord, waarvan sommige 12 kilometer naar beneden reikten. Geen kosmische straling kan zo ver doordringen. Drukier was geïntrigeerd.

Typische detectors voor donkere materie zijn relatief groot en zeer gevoelig voor plotselinge gebeurtenissen. Ze voeren hun zoekacties in meerdere jaren uit, maar voor het grootste deel zijn ze op zoek naar realtime WIMP-tikken. Mineralen, hoewel relatief klein en minder gevoelig voor WIMP-interacties, zouden een zoektocht kunnen zijn die honderden miljoenen jaren aanhoudt.

"Deze brokken rotsen, verwijderd van de zeer diepe kernen, zijn eigenlijk een miljard jaar oud", zei Drukier. "Hoe dieper je gaat, hoe ouder het is. Dus plotseling hoeft u geen detector te bouwen. Je hebt een detector in de grond. '

De aarde stelt zijn eigen problemen. De planeet is vol met radioactief uranium, dat neutronen produceert als het vergaat. Die neutronen kunnen ook kernen omgooien. Freese zei dat de eerste paper van het team over paleodetectoren geen verklaring bood voor het lawaai veroorzaakt door uraniumverval, maar een hoop opmerkingen van andere geïnteresseerde wetenschappers liet hen teruggaan en herzien. Het team bracht twee maanden door met het bestuderen van duizenden mineralen om te begrijpen welke geïsoleerd zijn van uraniumverval. Ze beweren dat de beste paleodetectoren bestaan ​​uit zee-evaporieten – in feite steenzout – of uit rotsen die heel weinig silica bevatten, die ultrabasische gesteenten worden genoemd. Daarnaast zoeken ze naar mineralen die veel waterstof bevatten, omdat waterstof de neutronen die afkomstig zijn van uraniumverval effectief blokkeert.

Halite, beter bekend als steenzout, is een ultrabasische rots die mogelijk kan worden gebruikt als detector voor donkere materie.

Zoeken naar fossiele terugslag kan een goede manier zijn om te zoeken naar WIMP's met een lage massa, zei Tracy Slatyer, een theoretisch fysicus aan het Massachusetts Institute of Technology die niet betrokken was bij het onderzoek.

"Je bent op zoek naar een kern springend voor schijnbaar geen reden, maar het moet een bepaald bedrag springen om het te zien. Als ik een pingpongbal van een bowlingbal laat stuiteren, zullen we de bowlingbal niet erg veel bewegen – of je kunt best vrij kleine veranderingen in de beweging van je bowlingbal detecteren, "zei ze. . "Dit is een nieuwe manier om dat te doen."

Het moeilijkste experiment

Het betrokken veldwerk zou niet eenvoudig zijn. Onderzoek zou diep onder de grond moeten plaatsvinden, waar de kernmonsters zouden worden beschermd tegen kosmische en zonnestraling. En state-of-the-art nano-imaging zou nodig zijn om bewijs van nuclei nudging op te lossen.
Zelfs als WIMP's een waarneembaar litteken achterlaten, is de grootste zorg voor paleodetectoren ervoor te zorgen dat de fossiele sporen echt afkomstig zijn van donkere materiedeeltjes, zei Slatyer. Onderzoekers zullen veel tijd moeten besteden om zichzelf ervan te overtuigen dat de terugslag niet het werk is van neutronen, neutrino's uit de zon of iets anders, zei ze.

"Ze maken een goede zaak dat je behoorlijk diep kunt gaan om je tegen kosmische straling te beschermen," zei ze, "maar dit is geen gecontroleerd systeem. Dit is geen lab. Je kent de geschiedenis van deze steenafzettingen misschien niet zo goed. Zelfs als je een signaal zou hebben opgeëist, zou je veel meer werk moeten doen om er echt van overtuigd te zijn dat je geen achtergrond ziet. "

Zowel Drukier als Freese zeiden dat de sterkte van de paleodetectoren in cijfers kan liggen. Een rots bevat massa's mineralen, elk met atoomkernen die op verschillende manieren zouden terugdeinzen van een plunderende WIMP. Verschillende elementen zouden daarom als verschillende detectoren dienen, alle verpakt in één kernmonster. Dit zou het mogelijk maken voor experimentalisten om een ​​spectrum van terugslagen te bekijken, hun bewijsmateriaal te bevestigen en mogelijk hen in staat te stellen conclusies te trekken over WIMP-massa, zei Freese. In de toekomst zou een paleodetector zelfs een WIMP-record kunnen leveren in de tijd, net zoals het fossielenarchief het paleontologen mogelijk maakt de geschiedenis van het leven op aarde te reconstrueren.

Voor Slatyer zou het lange album een ​​unieke sonde kunnen bieden van de halo van de donkere materie van de melkweg, de wolk van onzichtbaar materiaal waar de aarde doorheen zwemt terwijl het zonnestelsel zijn baan van 250 miljoen jaar rond het centrum van de melkweg maakt. Begrijpen hoe de halo van de donkere materie van de Melkweg wordt verspreid, kan inzicht verschaffen in het fysieke gedrag, zei Slatyer. Het kan zelfs aantonen of donkere materie op zichzelf inwerkt op manieren die de zwaartekracht overstijgen.

"Dit is een plek waar de theorie en modellering nog in zeer actieve ontwikkeling is," zei ze.

Dat is echter nog een lange weg verwijderd van de realiteit. Freese en Drukier zeggen dat een proof-of-principle paleodetector eerst zou moeten aantonen dat hij sporen kan terugvinden die zijn achtergelaten door bekende deeltjes zoals zonne-neutrino's. Vervolgens moeten ze bewijzen dat ze WIMP-routes kunnen isoleren van deze gewone terugslag.

"Het is een grote verandering van perspectief," zei Drukier. "Zullen we donkere materie vinden? Ik heb er 35 jaar naar gezocht. Dit is waarschijnlijk het moeilijkste experiment ter wereld, dus we hebben misschien geen geluk. Maar het is cool. "

Oorspronkelijke verhaal herdrukt met toestemming van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke publicatie van de Simons Foundation wiens missie het is om het publieke inzicht in de wetenschap te vergroten door onderzoekontwikkelingen en trends in wiskunde en de fysische en levenswetenschappen te behandelen.


Meer Great WIRED Stories