På jagt efter mørkt stof, nyt springvanddesign kan blive kilde til svar

Du kan ikke se det. Du kan ikke mærke det. Men det stof forskerne omtaler som mørkt stof kunne tegne sig for fem gange så mange "ting" i universet som det normale stof, der danner alt fra træer, tog og den luft, du trækker vejret, til stjerner, planeter og interstellare støvskyer.

Selvom forskere indirekte ser mørket stofs signatur på den måde, store objekter kredser om hinanden - især hvordan stjerner hvirvler rundt om spiralgalaksernes centre - ved ingen endnu, hvad der består af dette stof. En af kandidaterne er en Z 'boson, en grundlæggende partikel, der er blevet teoretiseret til at eksistere, men aldrig er opdaget.

Et nyt foreslået eksperiment kan hjælpe forskere med at afgøre, om Z 'bosoner er ægte, på den måde identificere en mulig kandidat til mørkt stof. For at udføre denne opgave, forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST), universitetet i Groningen i Holland, det canadiske partikelacceleratorcenter TRIUMF og andre samarbejdspartnere arbejder på at lave de mest nøjagtige målinger til dato af en nuklear ejendom, der er ekstremt vanskelig at måle, kaldet nuklear spin-afhængig paritetsovertrædelse (NSD-PV).

Det fysiske eksperiment - som endnu ikke er bygget - ville have et springvanddesign, der ligner de atomkilder, som forskere i øjeblikket bruger som standarden for tidtagning. Imidlertid, i stedet for ensomme atomer, eksperimentet ville bruge molekyler sammensat af tre atomer hver. I øjeblikket har ingen bygget et molekylært springvand med molekyler, der indeholder mere end to atomer hver. Ud over, i modsætning til tidligere, lignende fremgangsmåder, den foreslåede metode ville fokusere på lettere atomer, såsom kulstof, som er lettere at modellere end tungere, såsom cæsium, der bruges i NIST springvandure.

Holdets papir, udgivet i denne uge i Fysisk gennemgang A , indeholder et forslag til eksperimentet samt de hidtil bedste beregninger af, hvilke målinger forskerne kunne forvente at indsamle. I deres nye beregninger, forskere var i stand til at forudsige, hvad NSD-PV-signalet skulle være med en usikkerhed på kun 10%-en meget større nøjagtighed end nogensinde før, sagde forskerne. Hvis signalet forskere til sidst opnår, er betydeligt større end deres beregninger forudsiger, det ville potentielt være en underskrift af ny fysik - fysik, der går ud over rammerne for vores forståelse af universet.

"I dette arbejde, vi kombinerer vores nye eksperimentelle teknikker med vores samarbejdspartners state-of-the-art nukleare og molekylære beregninger, som åbner en vej mod måling af nogle af de mindst kendte egenskaber ved grundpartikler, som vi er i stand til at måle, "sagde NIST -forskeren Eric Norrgard.

Hvad er den store idé?

NSD-PV-effekten, der er fokus for dette arbejde, er relateret til den svage kraft, en af ​​de fire grundlæggende kræfter i universet. Den svage kraft er ansvarlig for radioaktivt henfald og fusion, som omdanner en slags atom til et andet. Det spiller også en rolle i de kræfter, der holder elektroner i kredsløb om atomkerner.

I modsætning til de andre grundlæggende kræfter, den svage kraft oplever noget, der kaldes paritetskrænkelse, som faktisk blev opdaget ved National Bureau of Standards (NBS), organisationen, der til sidst blev NIST. Paritetskrænkelse er, når, stort set, invertering af de objektets rumlige koordinater inverterer ikke dets adfærd. (Hvis du holder fem fingre i et spejl, og din refleksion holder fire, det er en paritetskrænkelse!)

I tilfælde af NSD-PV, forskere forventer en form for ligestillingsovertrædelse. Det, de specifikt leder efter, er afvigelser i signalet om overtrædelse af paritet - en måling af krænkelsen, der er forskellig fra, hvad de forventer.

Hvis deres bedste matematiske modeller fortæller dem, skal NSD-PV-signalet være x, men deres bedste målinger viser dem, at signalet faktisk er y, så kan det være et tegn på, at grundlaget for modellerne er forkert - hvilket kan indikere, at universet fungerer anderledes end hvordan vi tænkte. Det er vigtigheden af ​​at måle krænkelsen af ​​NSD-paritet.

De fleste grupper, der måler NSD-PV, ser på systemer, hvor effekten skal være størst, i relativt tunge atomer - atomer med et større antal protoner og neutroner. Eksempler er metallerne cæsium (55 protoner) og barium (56 protoner).

Men selv ved at bruge tunge atomer, effekten stadig så lille, at kun ét hold i 1990'erne overhovedet kunne se ethvert signal.

Hollænderen, TRIUMF og NIST forskere og samarbejdspartnere besluttede at tage en anden tilgang. Hvad hvis de i stedet ledte efter effekten i lettere atomer?

En unik tilgang

Tunge atomer har flere neutroner, protoner og elektroner, og det gør det svært at beregne deres adfærd. Ved at se på lysere, enklere atomer, forskere kan modellere systemet med højere nøjagtighed. Det betyder, at selvom forskerne vil lede efter en mindre effekt, de kan være mere sikre, når de ser det, at det er uventet.

For at foretage deres beregninger, forskere fokuserede på tre-atom-molekyler dannet fra kombinationer af de relativt lette grundstoffer beryllium (4 protoner), kulstof (6 protoner), nitrogen (7 protoner), og magnesium (12 protoner). For det foreslåede fysiske forsøg, forskere vil manipulere disse molekyler ved hjælp af et springvanddesign.

Fysikere har arbejdet med atomkilder i årtier. De er en så robust teknologi, at de fungerer som standarden for tidtagning rundt om i verden. For at lave et springvand, forskere bruger lasere til at afkøle atomer, indtil de næsten holder op med at bevæge sig. Derefter bruger forskere magneter til at skyde de stationære atomer opad i vakuum. Når de når toppen af ​​deres bue, tyngdekraften trækker dem tilbage.

Mens de bliver manipuleret på denne kontrollerede måde, atomerne bliver sonderet af en anden laser, der får dem til at fluorescere. Effektivt, forskere kan fortælle hvilken kvantetilstand molekylernes komponenter er i baseret på hvilken lysfarve de afgiver, mens de bliver undersøgt.

Den foreslåede undersøgelse vil være den samme, bortset fra at springvandet i stedet for enkeltatomer vil manipulere tre-atommolekyler.

Selve eksperimentet vil være kompliceret - meget kompliceret, Norrgard sagde:da fangst af tre-atom-molekyler stadig er langt ud over den kendte teknik. Stadig, forskere er villige til at håndtere den ekstra komplikation, da NSD-PV-signalet i molekyler forventes at være nogenlunde en billion gange større end i individuelle atomer.

"Lige nu hos NIST, vi arbejder på at afkøle og fange kemisk lignende diatomiske to-atom-molekyler, hvilket stadig er meget hårdt! "sagde Norrgard." Men teknikkerne, udstyr og erfaring, der er nødvendig for at fange diatomiske molekyler, vil hjælpe med at informere os om, hvordan vi fanger store molekyler og sætter os i stand til at udføre målingen, "som kunne få forskere et skridt tættere på at afgøre, om der findes Z 'bosoner.