Hvad hvis mørkt stof er lysere? Rapporten opfordrer til små eksperimenter for at udvide jagten

Jagten på mørkt stof udvides. Og bliver småt.

Mens mørkt stof findes i overflod i universet - er det langt den mest almindelige form for stof, udgør omkring 85 procent af universets samlede — det gemmer sig også i almindeligt syn. Vi ved endnu ikke, hvad det er lavet af, selvom vi kan se dens tyngdekraft på kendt stof.

Teoretiserede svagt interagerende massive partikler, eller WIMP'er, har været blandt de sandsynlige mistænkte for mørkt stof, men de er endnu ikke dukket op, hvor forskerne havde forventet dem.

Støbning af mange små net

Så forskere fordobler nu deres indsats ved at designe nye og smidige eksperimenter, der kan lede efter mørkt stof i tidligere uudforskede områder af partikelmasse og energi, og ved at bruge tidligere uafprøvede metoder. Den nye tilgang, i stedet for at stole på et par store eksperimenters "net" for at forsøge at fange en type mørkt stof, er beslægtet med at kaste mange mindre net med meget finere masker.

Mørkt stof kunne være meget "lysere, "eller lavere i masse og mindre i energi, end tidligere antaget. Det kunne være sammensat af teoretiske, bølgelignende ultralette partikler kendt som axioner. Det kunne være befolket af et vildt rige fyldt med mange arter af endnu uopdagede partikler. Og det er måske slet ikke sammensat af partikler.

Momentum har opbygget til eksperimenter med mørkt stof med lav masse, som kunne udvide vores nuværende forståelse af stoffets sammensætning som inkorporeret i standardmodellen for partikelfysik, bemærkede Kathryn Zurek, en senior videnskabsmand og teoretisk fysiker ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Zurek, som også er tilknyttet UC Berkeley, har været en pioner i at foreslå teorier om mørkt stof med lav masse og mulige måder at opdage det på.

"Hvilke eksperimentelle beviser har vi for fysik ud over standardmodellen? Mørkt stof er en af ​​de bedste, " sagde hun. "Der er disse teoretiske ideer, der har eksisteret i et årti eller deromkring, " tilføjede Zurek, og ny udvikling inden for teknologi – såsom nye fremskridt inden for kvantesensorer og detektormaterialer – har også været med til at drive fremdriften til nye eksperimenter.

"Feltet er modnet og blomstret i løbet af det sidste årti. Det er blevet mainstream - dette er ikke længere udkanten, " sagde hun. Diskussioner om mørkt stof med lav masse har flyttet sig fra små konferencer og workshops til en del af den overordnede strategi for at søge efter mørkt stof.

Hun bemærkede, at Berkeley Lab og UC Berkeley, med deres særlige ekspertise i teorier om mørkt stof, eksperimenter, og banebrydende detektor og mål-F&U, er klar til at gøre en stor indflydelse i dette nye område af jagten på mørkt stof.

Rapportens højdepunkter skal søge efter "lys" mørkt stof med lav masse

Mørkt stof-relateret forskning fra Zurek og andre Berkeley Lab-forskere fremhæves i en DOE-rapport, "Grundlæggende forskningsbehov for mørkt stof, små projekter, nye initiativer", baseret på et højenergifysikworkshop i oktober 2018 om mørkt stof. Zurek og Dan McKinsey, en Berkeley Lab fakultets seniorforsker og UC Berkeley fysikprofessor, fungerede som co-leads på et workshoppanel med fokus på direkte detekteringsteknikker for mørkt stof, og dette panel bidrog til rapporten.

Rapporten foreslår fokus på småskala-eksperimenter - med projektomkostninger fra 2 millioner dollars til 15 millioner dollars - for at søge efter mørkt stofpartikler, der har en masse mindre end en proton. Protoner er subatomære partikler i hver atomkerne, der hver vejer omkring 1, 850 gange mere end en elektron.

denne nye, søgeindsats med lavere masse vil have "det overordnede mål endelig at forstå naturen af ​​universets mørke stof, " hedder det i rapporten.

I en beslægtet indsats, det amerikanske energiministerium anmodede i år om forslag til nye eksperimenter med mørkt stof, med en deadline den 30. maj, og Berkeley Lab deltog i forslagsprocessen, sagde McKinsey.

"Berkeley er et mørkt stof-mekka", der er klar til at deltage i denne udvidede søgning, han sagde. McKinsey har været deltager i store eksperimenter med direkte detektion af mørkt stof, herunder LUX og LUX-ZEPLIN, og arbejder også på detekteringsteknikker for mørkt stof med lav masse.

3 prioriteter i den udvidede søgning

Rapporten fremhæver tre hovedprioriterede forskningsretninger i at søge efter mørkt stof med lav masse, der "er nødvendige for at opnå bred følsomhed og ... for at nå forskellige vigtige milepæle":

1. Skab og detekter mørkt stof partikler under protonmassen og tilhørende kræfter, udnyttelse af DOE-acceleratorer, der producerer stråler af energiske partikler. Sådanne eksperimenter kunne potentielt hjælpe os med at forstå oprindelsen af ​​mørkt stof og udforske dets interaktioner med almindeligt stof, står der i rapporten.

2. Opdag individuelle galaktiske mørkt stofpartikler – ned til en masse, der måler omkring 1 billion gange mindre end en protons – gennem interaktioner med avancerede, ultrafølsomme detektorer. Rapporten bemærker, at der allerede er underjordiske eksperimentelle områder og udstyr, der kunne bruges til støtte for disse nye eksperimenter.

3. Opdag galaktiske bølger af mørkt stof ved hjælp af avancerede, ultrasensitive detektorer med vægt på den såkaldte QCD (quantum chromodynamik) axion. Fremskridt inden for teori og teknologi gør det nu muligt for forskere at undersøge eksistensen af ​​denne type aksion-baseret mørkt stof over hele spektret af dets forventede ultralette masseområde, giver "et indblik i de tidligste øjeblikke i universets oprindelse og naturlovene ved ultrahøje energier og temperaturer, " hedder det i rapporten.

Denne aksion, hvis det findes, kunne også hjælpe med at forklare egenskaber forbundet med universets stærke kraft, som er ansvarlig for at holde det meste stof sammen - det binder partikler sammen i et atoms kerne, for eksempel.

Søgninger efter den traditionelle WIMP-form af mørkt stof er steget i følsomhed omkring 1, 000 gange inden for det seneste årti.

Berkeley-forskere bygger prototypeeksperimenter

Berkeley Lab og UC Berkeley-forskere vil i første omgang fokusere på flydende helium- og galliumarsenidkrystaller i søgningen efter vekselvirkninger med mørkt stof med lav masse i prototype-laboratorieeksperimenter, der nu er under udvikling på UC Berkeley.

"Materialudvikling er også en del af historien, og tænker også på forskellige typer excitationer" i detektormaterialer, sagde Zurek.

Udover flydende helium og galliumarsenid, materialerne, der kan bruges til at detektere mørkt stof partikler, er forskellige, "og strukturerne i dem vil give dig mulighed for at koble til forskellige mørkt stof-kandidater, " sagde hun. "Jeg tror, ​​at måldiversitet er ekstremt vigtigt."

Målet med disse eksperimenter, som forventes at begynde inden for de næste par måneder, er at udvikle teknologien og teknikkerne, så de kan skaleres op til dybt-underjordiske eksperimenter på andre steder, der vil give yderligere afskærmning mod den naturlige regn af partikel-"støj", der regner ned fra solen og andre kilder.

McKinsey, som arbejder på prototypeeksperimenterne på UC Berkeley, sagde, at det flydende helium-eksperiment der vil opsøge ethvert tegn på partikler af mørkt stof, der forårsager nuklear rekyl - en proces, hvorigennem en partikelinteraktion giver et atoms kerne et lille stød, som forskerne håber kan forstærkes og detekteres.

Et af eksperimenterne søger at måle excitationer fra mørkt stof-interaktioner, der fører til den målbare fordampning af et enkelt heliumatom.

"Hvis en mørk stofpartikel spredes (på flydende helium), du får en klat ophidselse, " sagde McKinsey. "Du kan få millioner af excitationer på overfladen - du får et stort varmesignal."

Han bemærkede, at atomer i flydende helium og krystaller af galliumarsenid har egenskaber, der tillader dem at lyse op eller "scintillere" i partikelinteraktioner. Forskere vil i første omgang bruge mere konventionelle lysdetektorer, kendt som fotomultiplikatorrør, og derefter gå til mere følsomme, næste generation af detektorer.

"I bund og grund, i løbet af det næste år vil vi studere lyssignaler og varmesignaler, "McKinsey sagde. "Forholdet mellem varme og lys vil give os en idé om, hvad hver begivenhed er."

Disse tidlige undersøgelser vil afgøre, om de testede teknikker kan være effektive til påvisning af mørkt stof med lav masse på andre steder, der giver et miljø med lavere støj. "Vi tror, ​​at dette vil give os mulighed for at undersøge meget lavere energitærskler, " han sagde.

Nye ideer muliggjort af ny teknologi

Rapporten bemærker også en lang række andre tilgange til søgen efter mørkt stof med lav masse.

"Der er tonsvis af forskellige, seje teknologier derude" selv ud over dem, der er dækket i rapporten, der bruger eller foreslår forskellige måder at finde mørkt stof med lav masse på, sagde McKinsey. Nogle af dem er afhængige af måling af en enkelt lyspartikel, kaldet en foton, mens andre er afhængige af signaler fra en enkelt atomkerne eller en elektron, eller en meget lille kollektiv vibration i atomer kendt som en fonon.

I stedet for at rangordne eksisterende forslag, rapporten er beregnet til at "forene den videnskabelige begrundelse med muligheder og praktiske forhold. Vi har motivation, fordi vi har ideer, og vi har teknologien. Det er det, der er spændende."

Han tilføjede, "Fysik er det muliges kunst."