Главная » Hi-Tech » Лучшим местом для поиска темной материи могут быть недра Земли

Лучшим местом для поиска темной материи могут быть недра Земли

Их эксперименты становятся все сложнее и сложнее, а поиск проходит все точнее, но пока никто не нашел прямых доказательств существования таинственной субстанции, из которой состоит 84% всей материи во Вселенной. Почти в двух десятках подземных лабораторий, разбросанных по всему миру, уставленных чанами с жидкостью или блоками из металла и полупроводников, ученые ищут следы темной материи. Согласно новому исследованию, мы должны зреть в корень, то есть еще глубже.

Мы этого не видим, но физики почти уверены, что она существует и как скульптор лепит галактики на их пути через космос. Темная материя отличается от обычной барионной материи — вещества, из которого состоят звезды, галактики, собаки, люди и все остальное — тем, что не взаимодействует ни с чем никак, кроме как через гравитацию (и, возможно, слабую ядерную силу).

Многие эксперименты пытаются найти вимпы по следам их столкновения с обычным веществом. На протяжении многих десятилетий предпочтительными кандидатами на частицы темной материи были гипотетические скромные частицы — «вимпы» (WIMP), или слабо взаимодействующие массивные частицы. Испуганное ядро отскочит и испустит энергию в некоторой форме, вспышку света или звуковую волну. В таком сценарии вимп должен коснуться атомного ядра посредством слабой силы. В основном это происходит оттого, что инструменты будут защищены от космических лучей, которые также могут вызывать реакцию ядер. Обнаружение таких едва заметных явлений требует чувствительных инструментов, которые обычно закладываются глубоко под землю.

И вот, команда физиков из Польши, Швеции и США предложила другую идею. После десятилетних поисков этих слабых сигналов, ученые практически ничего не нашли. Они считают, что нужно смотреть на саму земную кору. Они считают, что нужно смотреть не на германий, ксенон и сцинтилляторы в детекторах под земной корой. В летописях пород, где записываются и покрываются слоями истории нашей Солнечной системы, мы могли бы найти окаменевшие записи потревоженных атомных ядер, замороженные следы WIMPов.

«Мы всегда ищем альтернативные подходы», говорит Кэтрин Фриз, физик-теоретик из Мичиганского университета и разработчик идей, которые легли в основу существующих детекторов.

Вместо того, чтобы оснащать лабораторию с большим объемом жидкости или металла для наблюдения вспышек WIMP в реальном времени, можно поискать окаменевшие следы WIMP, врезающихся в атомные ядра. Подземный палеодетектор будет работать аналогично современным методам прямого обнаружения. Некоторые классы минералов могли бы зафиксировать такие следы.

Если так, то ученые могут раскопать камень, разобрать его по слоям времени и исследовать события прошлого, используя сложные методы нановизуализации, вроде атомно-силовой микроскопии. Если ядро отскакивает с достаточной энергией, и если возмущенные атомы затем оказываются глубоко под землей (чтобы защитить образец от космических лучей, которые могут запутать данные), след отскока может быть сохранен. Конечным результатом будет след окаменелости: след зауропода во время его бегства от хищника, только в терминологии темной материи.

Крошечные следы

Одна из их идей, разработанная вместе с биологом Джорджем Черчем, касалась детекторов темной материи, основанных на ДНК и реакциях ферментов. Около пяти лет назад Фриз начала искать идеи для новых типов детекторов вместе с Анджеем Друкиером, физиком из Стокгольмского университета, который начал свою карьеру с изучения обнаружения темной материи, прежде чем заняться биофизикой.

В России он узнал о скважинах, пробуренных во время холодной войны, некоторые из которых уходят на 12 километров вниз. В 2015 году Друкиер отправился в российский Новосибирск, чтобы поработать над прототипом биологического детектора, который будет размещен под земной поверхностью. Друкиер был заинтригован. Никакие космические лучи не могут проникнуть так далеко.

Они проводят свои поиски в течение нескольких лет, но по большей части ищут сигналы WIMP в реальном времени. Обычные детекторы темной материи относительно большие и очень чувствительны к внезапным событиям. Минералы, хоть и относительно небольшие, и менее чувствительные к взаимодействию, могут олицетворять поиск, который длился сотни миллионов лет.

«Чем глубже уходишь, тем они старше. «Этим кускам пород, извлеченным из очень, очень глубоких кернов, практически миллиард лет», говорит Друкиер. Детектор уже есть, в земле». Не нужно строить детектор.

Планета полна радиоактивного урана, который производит нейтроны по мере распада. Но у земли есть свои проблемы. Фриз говорит, что первоначальная работа ученых, описывающая палеодетекторы, не учитывала шум, который создается распадом урана, но множество комментариев других заинтересованных ученых заставили их вернуться и пересмотреть документ. Эти нейтроны также могут выбивать ядра. Они утверждают, что лучшие палеодетекторы будут состоять из морских эвапоритов — по сути, каменной соли — или пород, содержащих очень мало кремнезема, которые называются ультраосновными породами. Команда провела два месяца, изучая тысячи минералов, чтобы понять, какие из них изолированы от распада урана. Кроме того, они ищут минералы, содержащие много водорода, поскольку водород эффективно блокирует нейтроны, возникающие при распаде урана.

Поиск следов в почве может привести нас к маломассивным вимпам, считает Трейс Слатьер, физик-теоретик из Массачусетского технологического института, не принимавшая участия в исследованиях.

Если мячик для пинг-понга столкнется с шаром для боулинга, вы не заметите особого смещения последнего — если только у вас нет возможности зарегистрировать мельчайшие изменения в движении шара для боулинга». «Вы ищете ядро, которое вроде бы беспричинно прыгает, но оно должно подпрыгнуть на определенную величину, чтобы его заметили.

Самый сложный эксперимент

Исследования должны будут проводиться глубоко под землей, где образцы керна будут защищены от космического и солнечного излучения. Работа в полевых условиях будет непростой. И для обнаружения свидетельств растолканных ядер потребуются современные методы нановизуализации.

Исследователям придется потратить много времени, чтобы убедить себя, что взаимодействия с ядрами — это не работа нейтронов, нейтрино Солнца или чего-то еще. По словам Слатьер, даже если WIMP оставит видимый шрам, основной проблемой палеодетекторов будет доказательство того, что ископаемые следы действительно рождены частицами темной материи.

Но это не лаборатория. «Придется опуститься довольно глубоко, чтобы защититься от космических лучей. Вы можете не знать полной истории каменных отложений. Это не контролируемые условия. Даже если вы обнаружите в них сигнал, придется проделать гораздо больше работы, чтобы убедиться, что вы не видите какой-нибудь фон».

Порода содержит множество минералов, каждый из которых содержит атомные ядра, которые по-разному отскакивают от мародерствующих вимпов. Друкиер и Фриз считают, что сила палеодетекторов может заключаться в цифрах. В будущем палеодетектор мог бы даже предоставить записи о вимпах во времени, точно так же, как окаменелости позволяют палеонтологам реконструировать историю жизни на Земле. Поэтому разные элементы будут служить разными детекторами, но все они будут заключены в один образец керна.

Понимание распределения гало темной материи Млечного Пути может дать представление о его физическом поведении, говорит Слатьер. По мнению Слатьер, длинная летопись могла бы предложить уникальный взгляд на гало темной материи Млечного Пути, облако невидимого материала, через которое проплывает Земля, когда солнечная система совершает свое движение по орбите в 250 миллионов лет вокруг центра галактики. Возможно, это также продемонстрирует, может ли темная материя взаимодействовать способами, которые выходят за пределы гравитации.

«Найдем ли мы темную материю», спрашивает Друкиер. «Именно здесь теория и моделирования находятся в стадии активного развития», говорит она. Наверное, это самый сложный эксперимент в мире, поэтому нам может не повезти. «Я провел тридцать пять лет в ее поисках. Но это круто».

Расскажите в нашем чате в Телеграме. Думаете, найдем когда-нибудь?


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Физик-теоретик Митио Каку рассказал, когда человечество докажет «теорию всего»

Первоначально данный термин использовался в ироническом ключе для обозначения разнообразных обобщенных теорий. Одной из самых фундаментальных задач современной физики является поиск так называемой «теории всего» — объединенной физико-математическая модели, описывающей все известные фундаментальные взаимодействия. Со временем термин закрепился в популяризациях ...

TJ: «Яндекс» готовит запуск сервиса аренды электросамокатов

TJ: «Яндекс» готовит запуск сервиса аренды электросамокатов — Транспорт на vc.ru Свежее Вакансии Написать Уведомлений пока нет Пишите хорошие статьи, комментируйте,и здесь станет не так пусто Войти По словам источников, компания может представить новый сервис летом 2019 года. В закладки ...