En milliard bittesmå penduler kunne opdage universets manglende masse

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger har foreslået en ny metode til at finde mørkt stof, kosmos mystiske materiale, der har unddraget sig opdagelse i årtier. Mørkt stof udgør omkring 27% af universet; almindelig sag, såsom de ting, der bygger stjerner og planeter, tegner sig for kun 5% af kosmos. (En mystisk enhed kaldet mørk energi står for de øvrige 68%).

Ifølge kosmologer, alt det synlige materiale i universet svæver blot i et stort hav af mørkt stof – partikler, der er usynlige, men som ikke desto mindre har masse og udøver en tyngdekraft. Mørkt stofs tyngdekraft ville give den manglende lim, der forhindrer galakser i at falde fra hinanden og forklare, hvordan stof klumpede sammen for at danne universets rige galaktiske gobelin.

Det foreslåede forsøg, hvor en milliard millimeter-store penduler ville fungere som mørkt stof-sensorer, ville være den første til at jage mørkt stof udelukkende gennem dets gravitationsinteraktion med synligt stof. Eksperimentet ville være et af de få til at søge efter mørkt stof partikler med en masse så stor som et saltkorn, en skala, der sjældent er udforsket og aldrig studeret af sensorer, der er i stand til at registrere små gravitationskræfter.

Tidligere eksperimenter har søgt mørkt stof ved at lede efter ikke-gravitationelle tegn på interaktioner mellem de usynlige partikler og visse former for almindeligt stof. Det har været tilfældet for søgninger efter en hypotetisk type mørkt stof kaldet WIMP (svagt interagerende massive partikler), som var en ledende kandidat for det usete materiale i mere end to årtier. Fysikere ledte efter beviser for, at når WIMP'er lejlighedsvis kolliderer med kemiske stoffer i en detektor, de udsender lys eller sparker elektrisk ladning ud.

Forskere, der jager efter WIMP'er på denne måde, er enten kommet tomhændet op eller opnået uendelige resultater; partiklerne er for lette (teoretiseret til at variere i masse mellem en elektron og en proton) til at detektere gennem deres gravitationstræk.

Med søgningen efter WIMP'er tilsyneladende på sit sidste ben, forskere ved NIST og deres kolleger overvejer nu en mere direkte metode til at lede efter mørkt stofpartikler, der har en kraftigere masse og derfor udøver en tyngdekraft, der er stor nok til at blive opdaget.

"Vores forslag bygger udelukkende på gravitationskoblingen, den eneste kobling, vi med sikkerhed ved, der eksisterer mellem mørkt stof og almindeligt lysende stof, " sagde studie medforfatter Daniel Carney, en teoretisk fysiker i fællesskab med NIST, Joint Quantum Institute (JQI) og Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) ved University of Maryland i College Park, og Fermi National Accelerator Laboratory.

Forskerne, som også inkluderer Jacob Taylor fra NIST, JQI og QuICS; Sohitri Ghosh fra JQI og QuICS; og Gordan Krnjaic fra Fermi National Accelerator Laboratory, beregne, at deres metode kan søge efter mørkt stof partikler med en minimumsmasse omkring det halve af et saltkorn, eller omkring en milliard milliarder gange massen af ​​en proton. Forskerne rapporterer deres resultater i dag i Fysisk gennemgang D .

Fordi den eneste ukendte i eksperimentet er massen af ​​den mørke stof partikel, ikke hvordan det hænger sammen med almindelige sager, "hvis nogen bygger eksperimentet, foreslår vi, de finder enten mørkt stof eller udelukker alle mørkt stofkandidater over en bred vifte af mulige masser, " sagde Carney. Eksperimentet ville være følsomt over for partikler fra omkring 1/5, 000 af et milligram til et par milligram.

Denne masseskala er særlig interessant, fordi den dækker den såkaldte Planck-masse, en massemængde, der udelukkende bestemmes af tre fundamentale naturkonstanter og svarer til ca. 1/5, 000 af et gram.

Carney, Taylor og deres kolleger foreslår to skemaer til deres gravitationseksperiment med mørkt stof. Begge involverer bittesmå, millimeter-størrelse mekaniske enheder, der fungerer som udsøgt følsomme gravitationsdetektorer. Sensorerne ville blive afkølet til temperaturer lige over det absolutte nulpunkt for at minimere varmerelateret elektrisk støj og afskærmet fra kosmiske stråler og andre kilder til radioaktivitet. I et scenarie, et utal af meget følsomme penduler ville hver afbøje lidt som reaktion på træk fra en forbipasserende mørkt stofpartikel.

Lignende enheder (med meget større dimensioner) er allerede blevet brugt i den nylige nobelprisvindende påvisning af gravitationsbølger, krusninger i rum-tid forudsagt af Einsteins teori om tyngdekraften. Forsigtigt ophængte spejle, der fungerer som penduler, bevæge sig mindre end længden af ​​et atom som reaktion på en passerende gravitationsbølge.

I en anden strategi, forskerne foreslår at bruge kugler leviteret af et magnetfelt eller perler leviteret af laserlys. I denne ordning, levitationen slås fra, når eksperimentet begynder, så kuglerne eller perlerne er i frit fald. Tyngdekraften af ​​en forbipasserende mørkt stofpartikel ville aldrig så lidt forstyrre de fritfaldende genstandes vej.

"Vi bruger objekters bevægelse som vores signal, " sagde Taylor. "Dette er forskelligt fra stort set alle partikelfysikdetektorer derude."

Forskerne beregner, at der kræves en række af omkring en milliard bittesmå mekaniske sensorer fordelt over en kubikmeter for at differentiere en ægte mørkt stofpartikel fra en almindelig partikel eller falske tilfældige elektriske signaler eller "støj", der udløser en falsk alarm i sensorerne. Almindelige subatomære partikler som neutroner (som interagerer gennem en ikke-gravitationskraft) ville stoppe døde i en enkelt detektor. I modsætning, forskere forventer en mørkt stof partikel, suser forbi rækken som en miniature-asteroide, ville tyngdekraftigt rykke hver detektor på dens vej, den ene efter den anden.

Støj ville få individuelle detektorer til at bevæge sig tilfældigt og uafhængigt snarere end sekventielt, som en mørk stofpartikel ville. Som en bonus, den koordinerede bevægelse af den milliard detektorer ville afsløre den retning, som partiklen af ​​mørkt stof var på vej, mens den zoomede gennem arrayet.

At fremstille så mange bittesmå sensorer, holdet foreslår, at forskere måske ønsker at låne teknikker, som smartphone- og bilindustrien allerede bruger til at producere et stort antal mekaniske detektorer.

Takket være de individuelle detektorers følsomhed, forskere, der anvender teknologien, behøver ikke begrænse sig til den mørke side. En mindre udgave af det samme eksperiment kunne detektere de svage kræfter fra fjerne seismiske bølger såvel som fra passage af almindelige subatomære partikler, såsom neutrinoer og single, lavenergifotoner (lyspartikler).

Eksperimentet i mindre skala kunne endda jage partikler af mørkt stof - hvis de giver detektorerne et stort nok spark gennem en ikke-gravitationskraft, som nogle modeller forudsiger, sagde Carney.

"Vi sætter det ambitiøse mål at bygge en gravitationsdetektor for mørkt stof, men den R&D, der er nødvendig for at opnå det, ville åbne døren for mange andre detektions- og metrologimålinger, " sagde Carney.

Forskere ved andre institutioner er allerede begyndt at udføre foreløbige eksperimenter ved hjælp af NIST-holdets plan.