ציידים חומר האפל מחפשים בפנים סלעים עבור רמזים חדשים


כמעט בשתיים תריסר מעבדות תת קרקעיות פזורות בכל רחבי הארץ, תוך שימוש במכלים של נוזל או בלוקים של מתכת ומוליכים למחצה, המדענים מחפשים עדויות לחומר אפל. הניסויים שלהם נעשים מסובכים יותר, והחיפוש נעשה מדויק יותר, אך פרט לאות שנוי במחלוקת רבה במעבדה באיטליה, איש לא מצא ראיה ישירה לחומר המסתורי שנחשב כ -84% מהנושא בעולם.

מחקר חדש מציע לנו להסתכל עמוק יותר.

מגזין Quanta


תמונה של המחבר

על אודות

הסיפור המקורי הודפס באישור של מגזין Quanta, פרסום עצמאי עצמאי של קרן סימונס שמשימתה היא להגביר את ההבנה הציבורית של המדע על ידי כיסוי ההתפתחויות במחקר ומגמות במתמטיקה ומדעי החיים והחיים.

החומר האפל שונה מהחומר הרגיל, הבאריוני – החומר שמייצר כוכבים, גלקסיות, כלבים, בני אדם וכל דבר אחר – בכך שהוא אינו מבצע אינטראקציה עם שום דבר פרט לכוח הכבידה (ואולי גם בכוח הגרעיני החלש). אנחנו לא יכולים לראות את זה, אבל פיסיקאים הם כמעט בטוח שזה שם, פיסול גלקסיות ודרכיהם דרך היקום.

במשך עשורים רבים, המועמדים המועדפים על חלקיקי החומר האפל היו דברים ביישתיים היפותטיים הנקראים חלש אינטראקציה חלשה מסיבית, או WIMPs. ניסויים רבים לחפש אותם על ידי מחפש ראיות כי WIMP הגיע על ידי דפק חומר קבוע מסביב. בתרחיש זה, WIMP היה להקיש על גרעין אטומי באמצעות כוח חלש. הגרעין המבוהל היה נרתע ומפיק צורה כלשהי של אנרגיה, כגון הבזק של אור או גל קול. גילוי תופעות כאלה בקושי דורש מכשירים רגישים, בדרך כלל קבור עמוק מתחת לפני הקרקע. זה בעיקר כך המכשירים מוגנים מפני קרניים קוסמיות ייסורים, אשר יכול גם לגרום רתיעה גרעיני.

לאחר שחיפשו אחרי הפינגס הקלוש הזה במשך עשרות שנים, למדענים יש ראיות לא מעטות להראות זאת. עכשיו צוות של פיסיקאים בפולין, שבדיה וארצות הברית יש רעיון אחר. אל תסתכל בגרמניום ובקסנון ובמצמיצים בגלאים הקבורים מתחת לקרום כדור הארץ, הם טוענים: תסתכל על קרום הפלנטה עצמו. בתקליט הרוק, שבו נקברו סיפורים על העבר של מערכת השמש שלנו, אנו עלולים למצוא את הרתיעה המאובנת של גרעיני האטום המבוהלים, את עקבות הקפיאה של WIMP.

"אנחנו תמיד מתכננים דרכים חלופיות לעשות דברים", אמרה קתרין פרייס, פיסיקאית תיאורטית מאוניברסיטת מישיגן ואדריכלית של הרעיונות שמאחורי חלק מהגלאים הקיימים.

קתרין Freese פיתחה מספר רעיונות עבור גלאי חומר אפל. כמה מרעיונותיה הפכו לניסויים.

גלאי פליאו תת-קרקעי יפעל באופן דומה לשיטות הנוכחיות לגילוי ישיר, לדברי פרייס ועמיתיה. במקום לצאת outfitting מעבדה עם נפח גדול של נוזל או מתכת כדי לצפות WIMP recuils בזמן אמת, הם יחפשו עקבות מאובנים של WIMPs דפיקות גרעיני האטום. כמו רתיעה גרעין, הם היו להשאיר נזקים מסלולים בכמה שיעורים של מינרלים.
אם הגרעין נרתע במרץ מספיק, ואם האטומים המופרעים נקברים עמוק באדמה (כדי להגן על המדגם מפני קרניים קוסמיות שיכולות לעכב את הנתונים), אזי ניתן יהיה לשמור על המסלול הרתיעה. אם כן, החוקרים יוכלו לחפור את הסלע למעלה, לקלף שכבות של זמן, ולחקור את האירוע לפני זמן רב באמצעות מתוחכם ננו הדמיה טכניקות כמו מיקרוסקופ כוח אטומי. התוצאה הסופית תהיה מסלול מאובנים: החומר האפל מקביל למציאת טביעת רגל של סורופוד בעת שברח מטורף.

ברזים זעירים

לפני כחמש שנים, פריז התחיל לזרוק רעיונות לרעיונות חדשים עם אנדז'יי דרוקייה, פיסיקאי מאוניברסיטת שטוקהולם, שהחל את הקריירה שלו בלימוד חומר אפל לפני הפיכתו לביופיסיקה. אחד הרעיונות שלהם, שהתגבש יחד עם הביולוג ג'ורג 'צ'רץ', כלל גלאי חומר אפל המבוססים על תגובות דנ"א ואנזימים.

בשנת 2015 נסע דרוקייה לנובוסיבירסק שברוסיה, כדי לעבוד על גלאי ביולוגי אב-טיפוס שיושכב מתחת לפני האדמה. ברוסיה נודע לו על קידוחים שנקדחו במהלך המלחמה הקרה, שחלקם מגיעים ל -12 ק"מ. שום קרניים קוסמיות לא יכולות לחדור עד כדי כך. דוקייה היה מסוקרן.

גלאי חומר אופייניים אופייניים גדולים יחסית ורגישים מאוד לאירועים פתאומיים. הם מנהלים את החיפושים שלהם במשך כמה שנים, אבל על פי רוב הם מחפשים בזמן אמת ברזים WIMP. מינרלים, בעוד קטנים יחסית ופחות רגישים לאינטראקציות של WIMP, יכולים לייצג חיפוש המתמשך במשך מאות מיליוני שנים.

"אלה נתחי סלע, ​​שהוסרו מן הליבות מאוד עמוק מאוד, הם למעשה מיליארד שנה", אמר Drukier. "ככל שאתה הולך עמוק יותר, המבוגר יותר. אז פתאום אתה לא צריך לבנות גלאי. יש לך גלאי, באדמה ".

האדמה מציבה את בעיותיה. כוכב הלכת מלא אורניום רדיואקטיבי, אשר מייצר נויטרונים כפי שהוא מתפרק. נייטרונים אלה יכולים גם לדפוק גרעינים מסביב. פרייזה אמר כי העיתון הראשוני של הקבוצה המתאר גלאי פליאו אינו מסביר את הרעש שנרשם על ידי ריקבון האורניום, אך שורה ארוכה של הערות של מדענים אחרים המעוניינים ביצעו אותם לחזור ולתקן. הצוות בילה חודשיים לומדים אלפי מינרלים כדי להבין אילו מהם מבודדים מפני עששת האורניום. הם טוענים כי גלאי הפליאו הטובים ביותר יהיו מורכבים מאופוריטים ימיים – ביסודו של דבר, מלח סלעים – או בסלעים המכילים סיליקה קטנה מאוד, הנקראים סלעים אולטרה-סיביים. בנוסף, הם מחפשים מינרלים כי יש הרבה מימן, שכן מימן ביעילות חוסם את הנייטרונים שמגיעים ריקבון אורניום.

Halite, הידוע יותר בתור מלח סלע, ​​הוא סליל ultrabasic שיכול לשמש גלאי חומר אפל.

חיפוש אחר ריסוסים מאובנים עשוי להיות דרך טובה לחפש WIMPs במסה נמוכה, אמרה טרייסי Slatyer, פיסיקאי תיאורטי במכון הטכנולוגי של מסצ 'וסטס שלא היה מעורב במחקר.

"אתה מחפש גרעין קופץ על לכאורה שום סיבה, אבל זה חייב לקפוץ על ידי כמות מסוימת כדי שתוכל לראות את זה. אם אני מקפיץ כדור פינג-פונג מעל כדור באולינג, אנחנו לא הולכים לראות את כדור הבאולינג זז הרבה מאוד – או שכדאי לך לזהות שינויים קטנים מאוד בתנועת כדור הבאולינג שלך ", אמרה. . "זו דרך חדשה לעשות זאת".

הניסוי הכי קשה

עבודת השטח לא תהיה קלה. המחקר היה צריך להתקיים עמוק מתחת לפני הקרקע, שבו דגימות הליבה יהיה מוגן מפני קרינה קוסמית ו השמש. ואת המדינה- of-the-art ננו הדמיה יידרש כדי לפתור ראיות של גרעיני דחיפה.
גם אם WIMPs יעזבו צלקת ניכרת, הדאגה העיקרית לגלאי פליאו תהיה הבטחת המסלולים המאובנים שבאמת מגיעים מחלקיקי חומר אפל, אומר סלאטייר. החוקרים יצטרכו להשקיע הרבה זמן לשכנע את עצמם את הרתיעה הם לא עבודה של נויטרונים, נייטרינים מהשמש, או משהו אחר, היא אמרה.

"הם עושים מקרה טוב שאתה יכול ללכת די עמוק כדי להגן מפני קרניים קוסמיות," היא אמרה, "אבל זה לא מערכת מבוקרת. זו לא מעבדה. אתה לא יכול לדעת את ההיסטוריה של אלה פיקדונות סלע טוב מאוד. גם אם תבעת ממנו אות, יהיה עליך לעשות הרבה יותר עבודה כדי להיות משוכנע באמת שאתה לא רואה איזה רקע ".

Drukier ו Freese שניהם אמר את כוחו של גלאי פליאו יכול לשקר במספרים. סלע מכיל המוני של מינרלים, כל אחד מהם עם גרעינים אטומיים כי היה נרתעת מ WIMP מזעזע בדרכים שונות. אלמנטים שונים היו לפיכך לשמש גלאים שונים, כל עטוף במדגם אחד הליבה. זה יאפשר לניסויים לראות קשת של רתיעות, לאמת את העדויות שלהם ולאפשר להם להסיק מסקנות לגבי מסה של WIMP, אמר Freese. בעתיד, גלאי פליאו יכול אפילו לספק שיא WIMP לאורך זמן, בדיוק כמו שיא מאובנים מאפשר פליאונטולוגים לשחזר את ההיסטוריה של החיים על כדור הארץ.

לסלאטייר, התקליט הארוך יכול להציע בדיקה ייחודית של הילה החומרית של שביל החלב, הענן של חומר בלתי נראה כי כדור הארץ שוחה כאשר מערכת השמש עושה את המסלול של 250 מיליון שנה סביב מרכז הגלקסיה. בהבנת אופן ההילה החשוכה של חומר שביל החלב, ניתן לחלק את ההתנהגות הגופנית שלו, אמר סלאטייר. זה יכול אפילו להוכיח אם חומר אפל אינטראקציה עם עצמה בדרכים מעבר הכבידה.

"זהו מקום שבו התיאוריה והדוגמנות עדיין בפיתוח פעיל מאוד", אמרה.

אבל זה עדיין רחוק מאוד מהמציאות. Freese ו Drukier לומר הוכחה של עקרון paleo- גלאי יהיה הראשון להוכיח כי הוא יכול למצוא רתיעה רצועות שנותרו על ידי חלקיקים ידועים כגון נייטרינים השמש. אז הם חייבים להוכיח כי הם יכולים לבודד שבילים WIMP אלה רתיעה רגילים.

"זה שינוי משמעותי בפרספקטיבה", אמר דרוקייה. "האם נמצא חומר אפל? ביליתי 35 שנים מחפש את זה. זה כנראה הניסוי הקשה ביותר בעולם, אז אולי לא יהיה לנו מזל. אבל זה מגניב. "

הסיפור המקורי הודפס באישור של מגזין Quanta, פרסום עצמאי עצמאי של קרן סימונס שמשימתה היא להגביר את ההבנה הציבורית של המדע על ידי כיסוי ההתפתחויות במחקר ומגמות במתמטיקה ומדעי החיים והחיים.


עוד סיפורים גדולים