Nye ideer i søgen efter mørkt stof

Siden 1980'erne, forskere har kørt eksperimenter på jagt efter partikler, der udgør mørkt stof, et usynligt stof, der gennemsyrer vores galakse og univers. Opfundet mørkt stof, fordi det ikke afgiver lys, dette stof, som udgør mere end 80 procent af stof i vores univers, har gentagne gange vist sig at påvirke almindeligt stof gennem dets tyngdekraft. Forskere ved, at det er derude, men ved ikke, hvad det er.

Så forskere ved Caltech, ledet af Kathryn Zurek, professor i teoretisk fysik, er gået tilbage til tegnebrættet for at tænke på nye ideer. De har undersøgt muligheden for, at mørkt stof består af "skjulte sektor"-partikler, som er lettere end tidligere foreslået partikler, og kunne, i teorien, findes ved hjælp af små, underjordiske bord-enheder. I modsætning, forskere søger efter tungere mørkt stof-kandidater kaldet WIMP'er (svagt interagerende massive partikler) ved hjælp af store eksperimenter såsom XENON, som er installeret under jorden i en 70, 000 gallon tank med vand i Italien.

"Mørkt stof flyder altid gennem os, selv i dette rum" siger Zurek, som først foreslog skjulte sektorpartikler for over et årti siden. "Når vi bevæger os rundt i centrum af galaksen, denne jævne vind af mørkt stof går for det meste ubemærket hen. Men vi kan stadig drage fordel af den kilde til mørkt stof, og designe nye måder at lede efter sjældne interaktioner mellem den mørke stofvind og detektoren."

I et nyt papir accepteret til offentliggørelse i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , fysikerne skitserer, hvordan de lettere tunge partikler af mørkt stof kunne detekteres via en type kvasipartikel kendt som en magnon. En kvasipartikel er et opstået fænomen, der opstår, når et fast stof opfører sig, som om det indeholder svagt interagerende partikler. Magnoner er en type kvasipartikel, hvor elektronspind - der fungerer som små magneter - er kollektivt ophidset. I forskernes idé til et bordeksperiment, et magnetisk krystalliseret materiale ville blive brugt til at lede efter tegn på ophidsede magnoner genereret af mørkt stof.

"Hvis de mørke stofpartikler er lettere end protonen, det bliver meget vanskeligt at detektere deres signal med konventionelle midler, " siger studieforfatter Zhengkang (Kevin) Zhang, en postdoc ved Caltech. "Men, ifølge mange velmotiverede modeller, især dem, der involverer skjulte sektorer, det mørke stof partikler kan koble sig til elektronernes spins, sådan, at når de først rammer materialet, de vil fremkalde spin-excitationer, eller magnoner. Hvis vi reducerer baggrundsstøjen ved at afkøle udstyret og flytte det under jorden, vi kunne håbe på at opdage magnoner, der udelukkende er genereret af mørkt stof og ikke almindeligt stof."

Et sådant eksperiment er kun teoretisk på dette tidspunkt, men kan i sidste ende finde sted ved hjælp af små enheder anbragt under jorden, sandsynligvis i en mine, hvor udefrakommende påvirkninger fra andre partikler, såsom dem i kosmiske stråler, kan minimeres.

Et afslørende tegn på påvisning af mørkt stof i bordeksperimenterne ville være ændringer i signalet, der afhænger af tidspunktet på dagen. Dette skyldes det faktum, at de magnetiske krystaller, der ville blive brugt til at detektere det mørke stof, kan være anisotrope, hvilket betyder, at atomerne er naturligt arrangeret på en sådan måde, at de har en tendens til at interagere med det mørke stof stærkere, når det mørke stof kommer ind fra bestemte retninger.

"Når Jorden bevæger sig gennem den galaktiske mørk stof-halo, den mærker den mørke stofvind, der blæser fra den retning, som planeten bevæger sig i. En detektor fastgjort på et bestemt sted på Jorden roterer med planeten, så den mørke stofvind rammer den fra forskellige retninger på forskellige tidspunkter af dagen, sige, nogle gange ovenfra, nogle gange fra siden, " siger Zhang.

"I løbet af dagen, for eksempel, du kan have en højere detektionshastighed, når det mørke stof kommer fra oven end fra siden. Hvis du så det, det ville være ret spektakulært og en meget stærk indikation af, at du så mørkt stof."

Forskerne har andre ideer om, hvordan mørkt stof kan afsløre sig selv, foruden gennem magnoner. De har foreslået, at de lettere mørkt stof-partikler kunne detekteres via fotoner såvel som med en anden type kvasipartikel kaldet en fonon, som er forårsaget af vibrationer i et krystalgitter. Foreløbige eksperimenter baseret på fotoner og fononer er i gang på UC Berkeley, hvor holdet var baseret, før Zurek kom til Caltech-fakultetet i 2019. Forskerne siger, at brugen af ​​disse flere strategier til at lede efter mørkt stof er afgørende, fordi de supplerer hinanden og vil hjælpe med at bekræfte hinandens resultater.

"Vi undersøger nye måder at lede efter mørkt stof på, fordi givet hvor lidt vi ved om mørkt stof, det er værd at overveje alle mulighederne, " siger Zhang.