Stanford-fysiker foreslår at lede efter mørkt stof på usædvanlige steder

I årtier, partikelfysik har været domænet for massive kollidere, der pisker partikler rundt med høje hastigheder og smadrer dem ind i hinanden, mens hold af tusinder observerer resultaterne. Den slags eksperimenter har givet stor indsigt i kræfter og partikler, der udgør den fysiske verden.

Men Stanford-fysikeren Peter Graham går ind for en meget anderledes tilgang - en der kunne være hurtigere og billigere end massive kollidere, og som kan være i stand til at opdage tidligere undvigende former for fysik som mørkt stof.

Graham påpegede, at kollidere koster titusindvis af milliarder af dollars og kommer så sjældent, at der måske kun er bygget én ny kolliderer i hans levetid. Hans tilgang fremkalder en tid, hvor fysik kunne udføres på en bordplade af en eller to personer og producere resultater på få år.

"Det går tilbage til det på nogle måder, men ved at bruge meget forskellige typer teknologier og forskellige tilgange, " sagde Graham, som er adjunkt i fysik. "Det er en ny retning for at lede efter de mest grundlæggende naturlove."

Graham, som også er samarbejdspartner med elementær partikelfysikafdelingen på SLAC National Accelerator Laboratory, modtog for nylig en Breakthrough New Horizons in Physics-pris for sin romaninstruktion, som han håber flere vil være med. Han talte med Stanford Report om, hvorfor fysik har brug for nye typer eksperimenter, hvad mørkt stof kan være, og hvordan han håber at opdage det.

Du har sagt, at dine eksperimenter udforsker ny fysik. Hvad betyder det?

Standardmodellen for partikelfysik er alt, hvad vi har opdaget. Det forklarer næsten hvert eneste eksperiment, der nogensinde er udført over gigantiske skalaer, fra kerner til galakser. Der er virkelig kun nogle få ting, den ikke forklarer, som vi kalder ny fysik. Vi ved, at der er ting derude ud over, hvad vi har set, som mørkt stof, og nye grundlæggende love. Det er de ting, vi forsøger at opdage.

Mørkt stof er en form for ny fysik, du måske kan opdage. Kan du forklare, hvad mørkt stof er, og hvorfor fysikere tror, ​​at det eksisterer?

I første omgang, folk indså, at der er meget mere tyngdekraft, der trækker ind i galakser, end de kunne redegøre for. Enten var tyngdelovene forkerte, hvilket var muligt, eller der var noget andet, som vi ikke ved om at trække på galakserne. På den ene eller anden måde, du kan ikke forklare det med, hvad vi ved.

Der er nu en masse beviser på, at vores forståelse af tyngdekraften ikke er forkert, og i stedet er der nogle nye slags ting, som fysikere har kaldt mørkt stof. Det har været et stort mål i fysikken at forstå mørkt stof og finde på nye typer eksperimenter for at forsøge at opdage det. Men du skal have nogle bud på, hvad det kan være, hvis du skal finde det. Det er en universel pointe i videnskaben, at du skal have en ide om, hvad du leder efter, for at vide, hvordan du leder efter det.

Hvad er nogle af teorierne om, hvad mørkt stof kan være?

Der er meget bevis for to kandidater, kaldet WIMPs og axions. Du kan kigge efter WIMP'er [svagt interagerende massive partikler] med mere traditionelle teknikker, som de kæmpe kolliderer, og det vakte stor opmærksomhed.

Der var kun et eksperiment, der ledte efter aksioner, og det så kun på en del af det mulige aksionsspektrum. Det var et skræmmende scenarie, at aksioner kunne være det mørke stof, og der var måske ingen måde at opdage dem på. Axioner er meget svære at søge efter, fordi de ikke interagerer meget med vores eksperimenter.

Mørkt stof kunne også være en skør ny slags partikel, eller en kombination af WIMP'er og aksioner, eller endda samlinger af sorte huller. Vi ved det ikke.

Hvad motiverede dig til at tænke på alternative måder at udforske ny fysik på?

En del af motivationen er, at de store kollidere er vigtige, men at de også bliver dyre at bygge. Ud over, vi er ved at indse, at nogle nye teorier om mørkt stof virkelig ikke kunne opdages ved kollidere.

Mit arbejde har været at tage teknikker fra andre fysikområder og bruge dem i partikelfysik. Gennembrudsprisen er virkelig flot, fordi den giver et anerkendelsesstempel og virkelig kan hjælpe os med at få gang i denne nye eksperimentelle retning.

Kan du give mig et eksempel på en type eksperiment, du har designet?

Folk havde tænkt på én tilgang til at detektere axion mørkt stof, og det gjorde et godt stykke arbejde for højere masse aksioner, men kunne umuligt se lavere masseaksioner. Vi fandt på en ny teknik til at detektere aksioner med lav masse. Det involverede at kombinere NMR [kernemagnetisk resonans], som er almindeligt anvendt i medicinske applikationer, og magnetometri, som er et meget præcist værktøj til at måle magnetiske felter. Vi bruger NMR til at forstærke axionsignalet, så magnetometeret kan opfange det.

Vi er allerede begyndt at bygge dette eksperiment, og det kan give resultater om nogle år. Det er meget spændende, fordi den slags eksperimenter kan give resultater på korte tidsskalaer.

Hvorfor er det vigtigt at udforske disse nye grænser i fysik?

Menneskeheden har altid stirret op på stjernerne og undret sig over, hvorfor vi er her. Den slags spørgsmål, ligesom det mørke stofs natur, fortæl os om universets fødsel, hvorfor hele universet er her.

Men en del af det for mig er også, at jeg gerne vil bidrage. Et eksempel på, hvordan grundlæggende fysik hjælper mennesker, kom fra kvantemekanikken. Jeg er sikker på, at de dengang troede, at det var en ren fysikøvelse og ikke havde nogen relation til menneskers sundhed. Godt, vi lærte kvantemekanik og nu har vi MR-maskiner og PET-scanninger. Jeg vil sige, at det er en rigtig vigtig lektie. Mennesker er kreative, og vi finder måder at bruge ny information på.