Fysikere beskriver ny strategi for registrering af mørkt stof

Fysikere fra Brown University har udtænkt en ny strategi til direkte at opdage mørkt stof, den undvigende materiale, der menes at stå for størstedelen af ​​materien i universet.

Den nye strategi, som er designet til at detektere interaktioner mellem partikler af mørkt stof og et kar med superfluid helium, ville være følsom over for partikler i et meget lavere masseområde end det er muligt med nogen af ​​de store eksperimenter, der er kørt indtil nu, siger forskerne.

"De fleste af de store søger efter mørkt stof har hidtil ledt efter partikler med en masse et sted mellem 10 og 10, 000 gange massen af ​​en proton, "sagde Derek Stein, en fysiker, der var medforfatter til værket med to af sine Brown University-kolleger, Humphrey Maris og George Seidel. "Under 10 protonmasser, disse eksperimenter begynder at miste deres følsomhed. Det, vi vil gøre, er at forlænge følsomheden i masse med tre eller fire størrelsesordener og undersøge muligheden for mørke stofpartikler, der er meget lettere. "

Et papir, der beskriver den nye detektor, er offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Manglende sag

Selvom det endnu ikke er blevet registreret direkte, fysikere er ret sikre på, at mørkt stof skal eksistere i en eller anden form. Den måde, hvorpå galakser roterer, og i hvilken grad lyset bøjer, når det bevæger sig gennem universet, tyder på, at der er en slags usynlige ting, der kaster sin tyngdekraft rundt.

Den førende idé for naturen af ​​mørkt stof er, at det er en slags partikel, omend en, der meget sjældent interagerer med almindeligt stof. Men ingen er helt sikre på, hvad en mørk stofpartikels egenskaber kan være, fordi ingen endnu har registreret en af ​​disse sjældne interaktioner.

Der har været god grund, Stein siger, at søge i masseområdet, hvor de fleste eksperimenter med mørkt stof hidtil har fokuseret. En partikel i dette masseområde ville binde en masse løse teoretiske ender. For eksempel, teorien om supersymmetri - tanken om, at alle de almindelige partikler, vi kender og elsker, har skjulte partnerpartikler - forudsiger kandidater til mørkt stof i størrelsesordenen hundredvis af protonmasser.

Men manglen på disse partikler i forsøg hidtil har nogle fysikere tænkt over, hvordan de skal se andre steder hen. Dette har fået teoretikere til at foreslå modeller, hvor mørkt stof ville have en meget lavere masse.

En ny tilgang

Detektionsstrategien, som de brune forskere er kommet med, involverer et kar med superflydende helium. Ideen er, at partikler af mørkt stof, der passerer gennem karret, skal i meget sjældne tilfælde, smække ind i kernen af ​​et heliumatom. Denne kollision ville producere fononer og rotoner - små excitationer, der stort set ligner lydbølger - som formerer sig uden tab af kinetisk energi inde i supervæsken. Når disse excitationer når overfladen af ​​væsken, de får heliumatomer til at blive frigivet til et vakuumrum over overfladen. Påvisning af de frigivne atomer ville være signalet om, at der har fundet en interaktion i mørkt stof sted i karret.

"Den sidste bit er den vanskelige del, "sagde Maris, der har arbejdet på lignende helium-baserede detektionsordninger for andre partikler som solneutrinoer. Kollisionen af ​​en partikel med lav masse mørkt stof kan resultere i, at kun et enkelt atom frigives fra overfladen. Det eneste atom ville kun bære omkring en milli-elektron volt energi, gør det praktisk talt umuligt at opdage på nogen traditionel måde. Det nye ved denne nye detektionsordning er et middel til at forstærke den lille, enkeltatoms energisignatur.

Det virker ved at generere et elektrisk felt i vakuumrummet over væsken ved hjælp af en række små, positivt ladede metalstifter. Når et atom frigivet fra heliumoverfladen trækker tæt på en nål, den positivt ladede spids vil stjæle en elektron fra den, skaber en positivt ladet heliumion. Den nyoprettede positive ion ville være i nærheden af ​​den positivt ladede pin, og fordi afgifter afviser hinanden, ion vil flyve af med nok energi til let at kunne detekteres ved et standardkalorimeter, en enhed, der registrerer en temperaturændring, når en partikel løber ind i den.

"Hvis vi sætter 10, 000 volt på de små stifter, så vil den igangværende ion flyve væk med 10, 000 volt på den, "Så sagde Maris." Så det er denne ioniseringsfunktion, der giver os en ny måde at detektere det eneste heliumatom, der kan være forbundet med et interaktion mellem mørkt stof. "

Følsom ved lav masse

Denne nye slags detektor ville ikke være den første til at bruge tanken om karbad af flydende gas. Det nyligt afsluttede Large Underground Xenon (LUX) eksperiment og dets efterfølger, LUX-ZEPLIN, begge bruger baljer af xenongas. Brug af helium giver i stedet en vigtig fordel ved at lede efter partikler med lavere masse, siger forskerne.

For at en kollision kan påvises, den indkommende partikel og målatomkernerne skal have en forenelig masse. Hvis den indkommende partikel er meget mindre i masse end målkernerne, enhver kollision ville resultere i, at partiklen simpelthen springer af uden at efterlade et spor. Da LUX og L-Z er beregnet til påvisning af partikler med en masse større end fem gange massen af ​​en proton, de brugte xenon, som har en kerne på omkring 100 protonmasser. Helium har en atommasse kun fire gange massen af ​​en proton, hvilket gør et mere kompatibelt mål for partikler med meget mindre masse.

Men endnu vigtigere end lysmålet, siger forskerne, er den nye ordnings evne til kun at detektere et enkelt atom fordampet fra heliumoverfladen. Den slags følsomhed ville gøre enheden i stand til at detektere de små mængder energi, der er deponeret i detektoren af ​​partikler med meget små masser. Brown -teamet tror, ​​at dets enhed ville være følsom over for masser ned til omkring det dobbelte af massen af ​​en elektron, cirka 1, 000 til 10, 000 gange lysere end de partikler, der hidtil er blevet påvist i store mørke stofforsøg.

Stein siger, at de første skridt til faktisk at gøre en sådan detektor til virkelighed vil være fundamentale eksperimenter for bedre at forstå aspekter af, hvad der sker i det superflydende helium og ioniseringens præcise dynamik.

"Fra disse grundlæggende eksperimenter, "Siger Stein, "vi ville lave designs til et større og mere komplet eksperiment i mørkt stof."