Sneboldkammer hjælper forskere med at bruge underafkølet vand til at søge efter mørkt stof

Efter at have set YouTube-videoer af folk, der superkøler vand i en flaske og derefter får det til at fryse ved at banke det, noget ved dette koncept størknede for Matthew M. Szydagis, en assisterende professor i fysik ved universitetet i Albany, State University i New York, især da han så den igen under Disney-filmen "Frozen".

Under 2019 American Physical Society april-mødet i Denver, Szydagis vil beskrive, hvordan dette inspirerede ham til at undersøge, om en subatomær partikel som mørkt stof kan udløse frysning af underafkølet vand. Læs mere på https://arxiv.org/abs/1807.09253.

"Alt mit arbejde er motiveret af søgen efter mørkt stof, en form for stof, vi er sikre på, er derude, fordi vi kan observere dens indirekte gravitationseffekter, " sagde Szydagis. "Det udgør en betydelig del af universet, men vi mangler endnu at afsløre direkte, afgørende og utvetydige beviser for det i laboratoriet."

Hvis vandet er rent nok - lavt indhold af urenheder, såsom støvpartikler - og anbragt i en jævn nok beholder, Szydagis forklarede, den kan afkøles til under frysepunktet på 0 C (32 F) uden at fryse.

"Dette kaldes 'superkøling' og ligner, hvordan vand nemt kan overophedes i mikroovnen, i det væsentlige opvarmet over dets kogepunkt uden faktisk at koge. Det er simpelthen omvendt, " sagde han. "Vandet ender, i begge disse tilfælde, i en tilstand kendt som 'metastabilitet, "hverken ustabil eller helt stabil heller."

En forstyrrelse kan udløse faseovergangen, frysning og krystallisation, I dette tilfælde. "Dette er ikke almindelig frysning, og det danner hvid sne i stedet for klar is, " tilføjede han. "Vi afkølede flydende vand til så koldt som -20 C (-4 F). i vores laboratorium uden at det fryser. Det er ikke det samme som frysepunktsdepression, som når du salter dit fortov, fordi vandet var rent og ikke forurenet med urenheder med vilje."

Gruppen demonstrerede, at visse former for partikler, der rammer vandet, mikroskopisk (subatomisk) kan få det til at fryse, hvis det først underkøles. "Nogle partikler som neutroner kan endda spredes flere gange i vandet, " sagde Szydagis. "Vi var i stand til at vise dette ikke kun med kommercielt tilgængelige kilder til partikler, men også en Fiestaware 'radioaktiv rød' plade med orange uran-baseret maling fra 1950'erne."

De skabte en ny detektor baseret på det underafkølede vand, døbt "sneboldkammeret", fordi det passer godt sammen med "boble" og "sky" kamre, som er teknologier fra begyndelsen til midten af ​​det 20. århundrede, der bruger kogning og kondensering.

Superafkølet vand er bestemt ikke nyt; det er blevet undersøgt i adskillige årtier af kemikere og fysikere af kondenseret stof, ned til -40 C (-40 F). Der er endda publikationer om det, der går mere end 100 år tilbage i tiden.

"Men det lykkedes os at opdage en ny egenskab ved superkølet vand, " sagde Szydagis. "Til vores store overraskelse, vi fandt ud af, at nogle partikler (neutroner) men ikke andre (gammastråler) udløser frysning. Da dette er grundforskning, der aldrig er blevet lavet før, der var ingen garanti for, at det ville virke. Det var en 'lad os prøve det og se'-tilgang - den videnskabelige metode i sin mest basale form. Ikke alene har vi en ny detektor af fundamentale partikler, men potentielt af mørkt stof, fordi neutroner menes at efterligne det."

Gruppen forestiller sig adskillige andre potentielle implikationer for deres opdagelse, herunder opdagelse af atomvåben i last til hjemlandsikkerhed, forstå skydannelse, og giver fingerpeg om, hvordan visse pattedyrarter går i dvale, superkøler deres blod på en eller anden måde.