De zoektocht naar duistere materie breidt zich dramatisch uit

Natuurkundigen zijn van plan om geen middel onbeproefd te laten en te controleren of donkere materie verschillende soorten detectoren kietelt, sterlicht afstoot, planetaire kernen verwarmt of zelfs in rotsen nestelt.

Donkere materie kan bestaan ​​uit deeltjes met een breed scala aan mogelijke massa’s.

Sinds astronomen in de jaren tachtig een consensus bereikten dat het grootste deel van de massa in het universum onzichtbaar is – dat ‘donkere materie’ melkwegstelsels aan elkaar moet lijmen en de kosmos als geheel moet vormen door zwaartekracht – hebben experimentalisten op jacht naar de niet-lichtgevende deeltjes.

Ze gingen eerst op zoek naar een zware, trage vorm van donkere materie, een zwak interactief massief deeltje of WIMP genaamd – de vroege favoriete kandidaat voor de ontbrekende materie van de kosmos omdat het een andere, niet-gerelateerde puzzel in de deeltjesfysica zou kunnen oplossen . In de loop van de decennia hebben teams van natuurkundigen steeds grotere doelen opgezet, in de vorm van enorme kristallen en vaten van meerdere ton met exotische vloeistoffen, in de hoop het zeldzame schudden van een atoom op te vangen wanneer een WIMP erop knalde.

Maar deze detectoren zijn stil gebleven en natuurkundigen overwegen steeds meer een breder spectrum aan mogelijkheden. Aan de zware kant zeggen ze dat de onzichtbare materie van het universum kan samenklonteren tot zwarte gaten zo zwaar als sterren. Aan het andere uiterste kan donkere materie zich verspreiden in een fijne nevel van deeltjes die duizenden biljoenen of biljoenen keer lichter zijn dan elektronen.

Met nieuwe hypothesen komen nieuwe detectiemethoden. Kathryn Zurek , een theoretisch natuurkundige aan het California Institute of Technology, zei dat als de huidige WIMP-experimenten niets zien, “dan denk ik dat een substantieel deel van het veld zal verschuiven naar dit nieuwe soort experimenten. “

Het werk is al begonnen. Hier zijn een paar van de vele nieuwe fronten in de zoektocht naar donkere materie.

Tussen een elektron en een proton

WIMP’s zouden genoeg gewicht hebben om af en toe over een heel atoom te werpen. Maar voor het geval donkere materie lichter is, zetten sommige experimentatoren kleinere bowlingkegels op.

Een zachtere regen van donkere materiedeeltjes die minder wegen dan protonen, zou af en toe elektronen uit hun gastheeratomen kunnen kloppen. Het eerste experiment dat specifiek is ontworpen om deze donkere materie op te vangen, is het Sub-Electron-Noise Skipper CCD Experimental Instrument ( Sensei ), dat technologie gebruikt die vergelijkbaar is met die van digitale camera’s om signalen te versterken van onverwacht geëmancipeerde elektronen in materialen.

Toen een Sensei-prototype werd ingeschakeld met slechts een tiende van een gram silicium, vond het geen donkere materie. Toch sloten de resultaten van het team, gepubliceerd in 2018 , bepaalde modellen onmiddellijk uit.

“We gingen net aan en we hadden ’s werelds beste limieten”, zei Tien-Tien Yu , een natuurkundige aan de Universiteit van Oregon en een Sensei-samenwerkingslid, “omdat er voorheen geen limieten waren.”

Recente resultaten van een versie van 2 gram van Sensei verleggen die limieten, en nu bereiden Yu en haar collega’s zich voor om een ​​versie van 10 gram in een ondergronds laboratorium in Canada in te zetten, weg van storende kosmische straling. Andere groepen ontwerpen alternatieve goedkope experimenten die gericht zijn op hetzelfde laaghangende fruit.

Lichter gaan

Als donkere materie nog lichter is, of blind voor elektrische lading, kan het zijn dat het geen elektron ontketent. Zurek heeft manieren bedacht waarop zelfs deze pipsqueaks hun aanwezigheid konden verraden door het gedrag van groepen deeltjes te beïnvloeden.

Stel je een blok silicium voor, bijvoorbeeld als een matras met veren die atoomkernen voorstellen. Stuiter een kwart van de matras, zegt Zurek, en hoewel geen enkele veer veel zal bewegen, kan de munt een rimpel veroorzaken die door veel veren gaat. Ze stelde in 2017 voor dat een analoge verstoring door een interactie met donkere materie geluidsgolven zou kunnen genereren die het systeem enigszins zouden kunnen opwarmen.

Alles kan een detector van donkere materie zijn. Je moet gewoon creatief genoeg zijn om te bedenken hoe je het moet gebruiken.”

Een project dat deze route volgt, Tesseract , loopt momenteel in een kelder van de University of California, Berkeley, op zoek naar rimpelingen van donkere deeltjes die qua gewicht vergelijkbaar zijn met die waarop Sensei zich richt. Gevoelige toekomstige upgrades kunnen echter in theorie deeltjes tot duizend keer lichter vinden.

Maar er zijn nog meer mogelijkheden voor lilliputterdeeltjes. Het axion – een entiteit die zo klein is dat het meer een golf is dan een deeltje – zou donkere materie kunnen bevatten en tegelijkertijd een mysterie over de sterke kernkracht kunnen oplossen . Het Axion Dark Matter Experiment (ADMX) is onlangs begonnen met het scannen naar axions die vervallen in paren fotonen in een machtig magnetisch veld, en verschillende soortgelijke zoekopdrachten beginnen.

Sommige experimenten mikken op nog lichtere dingen. De lichtste die donkere materie kan zijn, is ongeveer een duizendste van een triljoenste van een triljoenste van de massa van het elektron – wat zou resulteren in een deeltje dat lijkt op een extreem lage-energiegolf, met een golflengte ter grootte van een klein sterrenstelsel. Lichtere (en dus langere) entiteiten zouden te diffuus zijn om te verklaren waarom sterrenstelsels bij elkaar blijven.

Aanwijzingen van bovenaf

Terwijl experimentalisten de volgende generatie apparaten voorbereiden die direct contact zoeken met donkere materie, zijn anderen van plan om de hemel af te speuren naar indirecte wegwijzers.

Men denkt dat enorme wolken van donkere materie melkwegstelsels en sterren creëren door zichtbare materie door zwaartekracht naar binnen te trekken. Maar eventuele kleinere clusters van donkere materie die zouden kunnen bestaan, zouden dit niet doen. Deze bescheiden klodders zouden volledig donker zijn, maar ze zouden nog steeds door zwaartekracht passerend sterlicht moeten buigen. Een groep onderzoekers is op zoek naar deze “lensing” van sterrenlicht door klodders van donkere materie in gegevens van de lopende GAIA-enquête .

“Donkere structuren bewegen zich door ons melkwegstelsel”, zegt Anna-Maria Taki , een natuurkundige van de Universiteit van Oregon en lid van het team. “Terwijl ze bewegen, verstoren ze de posities en de juiste bewegingen en banen van lichtbronnen.”

Voorlopige resultaten die in september zijn gepubliceerd, hebben geen dergelijke structuren gevonden die zwaarder zijn dan ongeveer 100 miljoen zonnen. Met grotere toekomstige datasets hopen de onderzoekers de mogelijke contouren van piekerige donkere wolken te onderscheiden. Uit de vormen en afmetingen van deze hypothetische structuren konden de wetenschappers afleiden of, en op welke manier, donkere materiedeeltjes met zichzelf interageren.

Andere onderzoekers hebben een manier bedacht om de snelgroeiende catalogus van exoplaneten te benutten. “We hebben miljarden van deze dingen die daar gewoon zitten,” zei Rebecca Leane , een deeltjesfysicus bij het SLAC National Accelerator Laboratory en co-auteur van een voorstel van september .

Het idee is dat een planeet donkere materie in zijn kern kan verzamelen terwijl deze door de Melkweg beweegt. Terwijl die donkere materiedeeltjes vernietigen met hun antideeltjes, verwarmen ze de planeet. Exoplaneten dichter bij het galactische centrum gaan door dichtere donkere materie, dus ze zouden heter moeten gloeien met infrarood licht. Als de aankomende James Webb-ruimtetelescoop de temperatuur van een paar duizend exoplaneten kan aannemen, berekenden Leane en een collega, zou die dataset de vingerafdrukken kunnen dragen van vernietigende donkere deeltjes in het elektron-tot-proton-massabereik.

Donkere materie overal

WIMPS is misschien uitgevallen, maar ze zijn niet uit. Een tank met xenon van bijna 4 ton zal in maart een tweejarige run starten in het Gran Sasso National Laboratory in Italië. En een team in Zuid-Korea, de Cosine-100-samenwerking, probeert een controversiële claim van een ander Gran Sasso-experiment genaamd DAMA te controleren. In dat experiment heeft een reeks natriumjodidekristallen precies het soort seizoensvariaties vastgelegd dat je zou verwachten als de aarde verschillende gezichten vertoont aan de ‘wind’ van donkere materie die het passeert. “Ze hebben een jaarlijkse modulatie, geen mitsen, enen of maren. Maar wat is het?” zei Katherine Freese , een astrofysicus aan de Universiteit van Texas, Austin. “We komen er niet uit.”

Freese, wiens berekeningen hielpen het tijdperk van WIMP-experimenten op gang te brengen, heeft ook nieuwe ideeën om de deeltjes op te sporen. In 2018 suggereerde ze dat WIMP’s misschien in rotsen zijn gegraven die mijlen onder de grond zijn begraven , en ze heeft onlangs een voorstel ondertekend om ze op te graven.

Veel natuurkundigen verwachten dat donkere materie even alomtegenwoordig als afstandelijk is. Als ze genoeg manieren kunnen bedenken om het onzichtbare te voelen – zoals controleren of het verschillende soorten detectoren kietelt, of het sterlicht aanstoot, planetaire kernen verwarmt of zelfs in rotsen vastzit – kan zijn spookachtige invloed overal opduiken.

‘Alles kan een detector van donkere materie zijn,’ zei Leane. “Je moet gewoon creatief genoeg zijn om te bedenken hoe je het moet gebruiken.”

VERWANT:


  1. Top Dark Matter-kandidaat verliest terrein aan kleinste concurrent
  2. In the Deep, een drive om duistere materie te vinden
  3. Dark Matter Experiment vindt een onverklaard signaal

Gepubliceerd op: Quantum Magazine

Correction: November 23, 2020

Dit artikel is herzien om aan te geven dat het volgende Sensei-experiment ondergronds zal plaatsvinden in Canada, niet in Californië zoals oorspronkelijk vermeld.


Geef een reactie