Astronomer bruger bobler til at lede efter WIMP'er

Usynlig, umærkelig og alligevel langt mere almindelig end almindeligt stof, mørkt stof udgør forbløffende 85 procent af universets masse. Fysikere sporer langsomt, men støt, arten af ​​dette uidentificerede stof. Det seneste resultat fra PICO-eksperimentet sætter nogle af de bedste grænser til dato for egenskaberne af visse typer mørkt stof.

PICO søger efter WIMP'er (svagt interagerende massive partikler), en antaget type mørkt stof partikel, der kun sjældent ville interagere, hvilket gør dem svære at finde.

I dette ekstreme kosmiske spil "Hvor er Waldo?" det nyeste, mest teknologisk komplekse detektorer betragtes normalt som de mest lovende. Mange af disse eksperimenter med mørkt stof er afhængige af hundredvis hvis ikke tusindvis af elektriske kanaler og kræver stativer af computerservere bare for at gemme de data, de indsamler.

Men PICO er afhængig af et simpelt fænomen og en ret lavmælt detektor:bobler, og et boblekammer. I sin kerne, PICOs apparat er simpelthen en glaskrukke fyldt med væske, hvori der kan dannes bobler og overvåges af et videokamera.

Genopfinde boblen

PICO startede i 2005 som et samarbejde mellem University of Chicago og det amerikanske energiministeriums Fermilab. (Eksperimentet startede under et andet navn, KUPP, og senere fusioneret med PICASSO-eksperimentet for at danne PICO.) I eksperimentets tidlige dage, meget af Fermilab-forskernes arbejde var udelukkende afsat til at udvikle boblekammerteknologi. For mens boblekammeret næppe var nyt – det blev opfundet i 1952 – havde teknologien også været ude af brug i 20 år.

Boblekamre er designet til at omdanne energien aflejret af en subatomær partikel til en boble, der kan observeres. I en væske såsom stuetemperatur vand, partikelkollisioner gør intet bemærkelsesværdigt. For at opnå følsomhed over for partikler, væsken inde i boblekamrene opvarmes til lige over kogepunktet, så den mindste forstyrrelse kunne tippe væsken til kogende tilstand, skabe en boble.

"Du kan faktisk se kammeret og se boblen dannes, " sagde Fermilab-fysiker Hugh Lippincott, en samarbejdspartner på PICO. I typiske partikelfysiske eksperimenter, information om partikelinteraktioner gives udelukkende gennem computergrænseflader. I PICO, interaktionerne er synlige for det blotte øje som bobler.

"Det er dejligt at presse dit ansigt op mod glasset og bare ... pop!" sagde Fermilab-fysiker Andrew Sonnenschein, også en samarbejdspartner på PICO.

Hvis der findes WIMP'er, de bør lejlighedsvis interagere med væske i PICOs boblekammer, skabe et vist antal bobler hvert år.

Det var en tilbagevenden til old-school, lavteknologisk partikelfysik, da Fermilab-samarbejdspartnere begyndte at konstruere PICO-boblekammeret, som er installeret 2 kilometer under jorden ved det canadiske laboratorium SNOLAB. Boblekamre fra årtier tidligere var blevet brugt til at spore millioner af ladede partikler såsom protoner og elektroner, som ville forlade længe, snoede spor i væsken.

"Gamle boblekamre havde et godt løb, men det sluttede i 80'erne, " sagde Sonnenschein. "De var for langsomme til at holde trit med eksperimenter, der havde meget større datahastigheder."

Som resultat, boblekamre blev udfaset, da moderne partikelkolliderer som Fermilabs Tevatron og CERNs Large Hadron Collider tog over. Brug af kompleks elektronik, detektorer ved disse kollidere var i stand til at indsamle millioner af gange mere data end boblekamre.

Faktisk, boblekamre havde været ude af drift så længe, ​​at PICOs grundlæggere måtte gå tilbage til tegnebrættet, vende tilbage til nogle af papirerne fra de oprindelige boblekammerpionerer, og effektivt genopfinde teknologien til at detektere mørkt stof.

"Efter de tidlige boblekammerdesignere fandt ud af, hvordan de kunne få dem til at arbejde for at spore højenergipartikler med spor af bobler, de grundlæggende ingredienser i opskriften ændrede sig ikke. Vi leder efter lavenergipartikler, der kun laver enkelte bobler, så mange ting er anderledes, " sagde Sonnenschein.

Det nye design, der gør det muligt for boblekamre at detektere mørkt stof, bevarer stadig mange af elementerne fra ældre boblekammerdetektorer.

"Det, der gør PICO interessant, er, at vi bruger et relativt simpelt detektordesign sammenlignet med de andre eksperimenter med mørkt stof, " sagde Dan Baxter, en kandidatstuderende fra Northwestern University og Fermilab-stipendiat, som var PICOs seneste koordinator.

I modsætning til traditionelle boblekamre, der detekterer ladede partikler, PICOs boblekammer er designet til at lede efter undvigende, neutralt ladede WIMP'er, der kan tage år at dukke op.

"Det bruger det på en anden måde, " sagde Lippincott. "I gamle dage, du ville aldrig forvente at bruge et boblekammer ved bare at lade det sidde der, uden at der sker noget."

En WIMPy boble

Den svage kraft, der styrer WIMPs, lever op til sit navn. Til sammenligning, det er omkring 10, 000 gange svagere end den elektromagnetiske kraft. Partikler, der interagerer gennem den svage kraft, såsom WIMP'er og neutrinoer, interagerer ikke ofte, gør dem svære at fange. Men selv en langsomtgående WIMP kan afsætte nok energi til at være synlig i en detektor.

Ved omhyggeligt at kalibrere varme og tryk i PICOs boblekammervæske, forskere var i stand til kun at gøre detektoren følsom over for interaktioner fra massive partikler som WIMP'er. PICO-forskere var i stand til at undgå meget af standardbaggrunden, såsom signaler fra elektroner og gammastråler, som plager andre mørkestofdetektorer.

At mestre teknologien til at gøre dette tog år. Forgængere til PICO startede som lidt mere end reagensglas fyldt med et par teskefulde væske. Lidt efter lidt, karrene voksede sig større. Derefter tilføjede forskere lydovervågning til deres detektorer for at fange "pop" fra bobler skabt af WIMP'er.

"Vi ser en lydkvidren, Sonnenschein sagde, med henvisning til, at boblerne popper. "Det viser sig, at hvis man ser på frekvensindholdet af lydkvidren og amplituden, du kan kende forskel på forskellige slags partikelinteraktioner."

Hvis en WIMP skabte en boble, PICO ville ikke kun være i stand til at se beviser for mørkt stof, men hør det også. Ved at bruge denne akustiske teknologi, forskere var i stand til effektivt at nedlægge veto mod bobler, der ikke kunne være blevet skabt af WIMP'er, giver dem mulighed for at fjerne baggrund.

Det viser sig, PICO så ingen bobler fra WIMP'er, så de var i stand til at sætte grænser for både WIMP-masser og sandsynligheden for, at de vil interagere med stof – to faktorer, der påvirker antallet af bobler, som WIMP'er producerer.

At sætte grænser for disse faktorer - masse og interaktionshastighed - kan fortælle fysikere, hvor de skal lede efter mørkt stof.

Hvor ingen boble er gået før

"Vi ved ikke, hvad mørkt stof er, og så der er en masse teorier om, hvad det kunne være, og om hvordan det kunne interagere med normalt stof, " sagde Baxter.

De mange forskellige teorier kræver en række forskellige eksperimenter. Andre eksperimenter søger efter forskellige kilder til mørkt stof, såsom partikler kaldet axioner eller sterile neutrinoer. PICOs søgen efter WIMP'er har et specifikt fokus på såkaldte spin-afhængige WIMP'er.

"Vi ved ikke, hvad WIMP'erne er, " sagde Lippincott. "Men i store træk vil deres interaktioner med normalt stof falde i to kategorier:en, der ikke er følsom over for kernens spin, og sådan en."

Spin, som ladning, er en iboende mængde båret af partikler og atomkerner. PICO leder primært efter WIMP-interaktioner, der er følsomme over for kernens spin. For at øge deres opløsning af disse interaktioner, forskerne bruger en væske med en væske, der indeholder fluor, som har et relativt stort atomspin. Med denne metode, PICO øgede deres evne til at se spin-følsomme WIMP'er med en faktor på 17.

I det væsentlige, PICO's resultat er, at disse spin-følsomme WIMP'er, hvis de findes, skal interagere ekstremt sjældent - ellers ville PICO have set flere bobler.

Dette resultat, hvilket er langt det bedste endnu for spin-følsomme WIMP'er, der interagerer med protoner, udelukker ikke eksistensen af ​​WIMP'er. Der er mange andre steder tilbage, hvor man stadig kan lede efter mørkt stof, men takket være PICO, færre steder, hvor den kan gemme sig.

PICO-samarbejdet har i øjeblikket et forslag til Canada Foundation for Innovation om at bygge den næste generation af PICO-kammer, og fysikere som Lippincott og Sonnenschein forbliver optimistiske på grund af teknologiens potentiale til at skalere op.

"De er ret billige, når først konstruktionen er færdig, primært fordi de er meget enkle mekanisk. De besværlige stykker er ikke særlig besværlige, " sagde Lippincott. "Der er en god chance for, at boblekamre vil fortsætte med at spille en rolle i jagten på mørkt stof."