Bu bahar, on ton sıvı ksenon, bir şehrin merkezinde, yerin yaklaşık bir mil altında bulunan bir tanka pompalanacak. eski altın madeni Güney Dakota'da. Bu dev kimyasal fıçısı ile bilim adamları, evrenimizdeki tüm kütlenin yüzde 85'inden fazlasını oluşturan gizemli bir madde olan, tarihsel olarak saptanamayan bir maddeyi tespit etmeyi umuyorlar: karanlık madde. Bu deneyin proje yöneticisi Murdock Gilchriese, karanlık maddenin can sıkıcı özelliklerinden birinin [ne olduğu] gerçekten hiçbir fikrimizin olmaması olduğunu söylüyor. LÜKS-ZEPLİN (LZ) . Var olduğunu biliyoruz, ancak bir parçacık ve kütlesi ne olursa olsun, çok büyük bir aralık var.
LZ, karanlık maddeyi doğrudan tespit etmeyi amaçlayan DOE ve NSF tarafından finanse edilen üç büyük deneyden biridir ve bu, otuz yılı aşkın bir süredir bilim insanlarını heyecanlandıran bir hedeftir. LZ'nin öncülü olan LUX gibi geçmiş deneyler yetersiz kalırken, bu yeni nesil projeler, benzeri görülmemiş ölçek ve hassasiyete sahip sistemler kullanarak bu zorluğun üstesinden gelmeyi umuyor.
Hiçbir şey bulamama konusunda dünyanın en iyisi olduğumuzu söyleyebilirsiniz. Demek istediğim, insanlar bunu söyledi ve şimdiye kadar, aslında doğru, diyor Gilchriese. İnsanların on yıldan fazla zaman harcaması ve kesinlikle hiçbir şey bulamamamız çok iyi olabilir.
Karanlık madde kavramı 1930'larda astronomun Fritz Zwicky Bir araya toplanmış 1.000'den fazla gökadanın hızlarını takip etti ve yalnızca görünür maddeden gelen yerçekiminin, kümenin birbirinden ayrılmasını önleyecek kadar güçlü olmadığını gözlemledi. Her şeyi yerinde tutan yerçekimi kuvvetinin çoğuna katkıda bulunan, göremediğimiz bir madde -karanlık madde- olması gerektiğini öne sürdü. Kırk yıl sonra, astronomlar Vera Rubin ve Kent Ford, sarmal gökadalar içindeki yıldızların hareketini inceleyerek karanlık madde hakkında daha fazla kanıt buldu. Bu galaksilerin dış kenarlarında yörüngede dönen yıldızların, muhtemelen ekstra bir yerçekimi çekişi sağlayan karanlık madde halesi nedeniyle merkezdekiler kadar hızlı hareket ettiğini buldular. En son olarak, lakaplı iki çarpışan gökadanın fotoğrafı. Madde İşareti Kümesi , yalnızca görünür madde ile açıklanamayan kütleçekimsel bir mercekleme etkisi - muazzam yerçekimi nedeniyle bükülen ışık - sergiledi. Bilim adamları, bu gözlemlerin karanlık maddenin varlığına güçlü bir şekilde işaret ettiğini söylüyor, ancak bu maddenin tam olarak neyden yapıldığı bir sır olarak kalıyor.
Mermi Kümesi olarak bilinen devasa bir gökada kümesi, arka plan gökadalarının kütleçekimsel mercek bozulmalarını, karanlık maddenin içinde var olduğu yönünde güçlü olarak yorumlanacak şekilde yaratır. Kompozit görüntü Hubble, Chandra ve Magellan teleskopları tarafından oluşturuldu, pembe sıcak gazın yaydığı X ışınlarını ve mavi önerilen karanlık madde dağılımını gösteriyor.(X-ışını: NASA/CXC/CfA/ M. Markevitch ve diğerleri; Mercekleme Haritası: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe ve diğerleri. Optik: NASA/STScI; Magellan/U. Arizona/D.Clowe ve ark.)
[Karanlık madde] sadece bir umut değil - buna dair ipuçları var, diyor fizikçi Priscilla Cushman adlı başka bir karanlık madde algılama deneyinin sözcüsü. SuperCDMS SNOLAB . Ne kadar olduğunu biliyoruz çünkü yerçekimi nedeniyle bu muazzam etkiye sahip. … Büyük Patlama'dan itibaren evrenimizin tüm evrimini etkiler, çünkü orada olmasaydı, şu anda gökada kümelerine baktığımızda gördüğümüz yığınlara sahip olmazdık. Karanlık madde parçacıklarının yarattığı bu ekstra yerçekimi, bugün gördüğümüz yapıyı oluşturmak için gereklidir. Yani tonlarca ve tonlarca kanıt var.
Yerçekimi, karanlık maddenin etkileşime girmesi için mevcut olan dört temel doğa kuvvetinden sadece biridir. Cushman, elektromanyetik olarak etkileşime girmediğini biliyoruz, bu yüzden ona karanlık diyoruz, aksi takdirde görürdük, diyor. Ayrıca, atom çekirdeklerini bir arada tutan güçlü nükleer kuvvet aracılığıyla etkileşime girmediğini, çünkü o zaman ölmüş olacağımızı açıklıyor. (Başka bir deyişle, atomlar kararlı olmayacaktır.) Geriye kalan aday, zayıf nükleer kuvvet, atom altı parçacıkların birbirleriyle etkileşime girme mekanizması ve atomların nasıl radyoaktif bozunmaya uğradığıdır. Karanlık maddeyi bulmak için Cushman gibi fizikçiler, zayıf kuvvet yoluyla normal madde ile etkileşime girmek için parçacıklara güveniyorlar.
Karanlık madde arayışı, Cushman'ın üç ayaklı deney taburesi dediği şeyi oluşturur. İlk ayak, karanlık madde parçacıklarının yok edilmesinden veya bozulmasından kaynaklanabilecek gama ışınları gibi evrenin derinliklerinden gelen sinyalleri gözlemlemeye çalışan dolaylı algılamadır. Bilim adamları da denedi karanlık madde parçacıkları oluşturmak için Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda iki yüksek enerjili protonu birbirine çarparak, tüm bu parçacıklar oluştuğunda Büyük Patlama'da ne olabileceğini taklit ederek. Son olarak, LZ ve SuperCDMS gibi doğrudan algılama deneyleri, karanlık madde parçacıklarının ara sıra zayıf kuvvet yoluyla normal madde ile etkileşime girerek aşırı hassas dedektörler tarafından tespit edilmelerini umuyor. Karanlık madde parçacıklarının özellikleri tamamen bilinmediğinden, karanlık maddeyi doğrudan tespit etmeye çalışan araştırmacılar, esas olarak, dedektörlerinin hangi kütleye bakması gerektiği konusunda eğitimli bir tahminde bulunurlar.
Cushman, tüm bunlarla ilgili sorun, samanlıkta iğne gibi bir şey arıyorsunuz, diyor. Bir dedektör inşa etmek için, iğnenin ne kadar parlak olduğu, ne kadar büyük olduğu ve samanlığın ilk önce nereye bakmanız gerektiğini söylediği hakkında bazı varsayımlarda bulunmanız gerekir. Yani bu dedektörleri oluşturduğumuzda yaptığımız şey bu. En olası yeri düşünüyoruz ve elbette yanılıyor olabiliriz. Ve zaman geçtikçe ve bulmayı umduğumuz yerde iğneyi bulamayınca samanlığın daha da derinlerine bakıyoruz.
* * *
En yaygın olarak bilinen karanlık madde adayı, zayıf etkileşimli büyük parçacık veya WIMP'dir. WIMP'ler ilk olarak, teorik fizikçilerin Big Bang'de bir protondan kabaca 100 kat daha büyük kütleli zayıf etkileşimli parçacıkların yaratılması durumunda, bugünkü toplam yoğunluklarının evrendeki tahmini tüm karanlık maddeyi hesaba katacağını, WIMP olarak adlandırılan bir tesadüf olduğunu belirtmesinden sonra popülerlik kazandı. mucize.
Cushman, evren bir kez büyüyüp soğuduğunda, zayıf etkileşim size elimizde kalan göreceli yoğunluğu verir, diyor. [The] modeli sadece bir tesadüf, ancak çok düşündürücü ve bu, mükemmel olacakları için bu WIMP'leri aramaya başladı.
LZ ve SuperCDMS, WIMP'leri algılamak için uyarlanmıştır. Bununla birlikte, olası WIMP kütlelerinin geniş aralığı göz önüne alındığında, iki deney, farklı kütle ölçeklerini hedeflemek için büyük ölçüde farklı yaklaşımlar kullanır.
LUX-ZEPLIN (LZ) ve SuperCDMS SNOLAB deneylerinin her ikisi de yeraltında terk edilmiş madenlerde, LZ eski bir Güney Dakota altın madeninde ve SuperCDMS, kozmik radyasyondan kaynaklanan parazitin önemli ölçüde olacağı Sudbury, Kanada, SNOLAB adlı nikel madeninde olacak. azaltılmış.(SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı)
2020'nin sonlarında araştırmaya başlaması planlanan SuperCDMS, bir proton kütlesinin bir kısmından on proton kütlesine kadar değişen en hafif WIMP kütlelerini araştırıyor. 6.800 fit yerin altında bir nikel madeni Ontario'daki ilk deney, karanlık maddeyi algılamaya çalışmak için her biri silikon germanyum kristallerinden yapılmış altı dedektör içeren dört kule kullanacak. Deney önümüzdeki on yıl içinde genişledikçe tesisin 30'dan fazla kuleye ev sahipliği yapması bekleniyor.
Bir WIMP dedektörlerden birine çarparsa, çarpışma (teorik olarak) kristal kafes boyunca elektronları bozacak, daha fazla titreşim yaratacak ve ilk çarpışmayı güçlendirecektir. Bu güçlendirilmiş sinyal daha sonra araştırmacıları bir çarpışmanın meydana geldiği konusunda uyaran sensörler tarafından alınacaktır. Fizikçilerin gürültü dediği en küçük parazit bile yanlış sinyalleri tetikleyerek deneyi bozabilir. Sonuç olarak, araştırmacılar, termal titreşimleri önlemek için dedektörleri eksi 450 Fahrenhayt derecenin (neredeyse mutlak sıfır) altına soğutmak ve uzaydan gezegene çarpan kozmik radyasyon parçacıklarının girişimini engelleyen kalkanlar inşa etmek gibi aşırı önlemler almalıdır.
Cushman, arka planın [gürültü] anlaşılmasının … çok, çok büyük bir zorluk olduğunu söylüyor. Dedektöre alma niyetinde olmadığınız birkaç sinyali -[diyelim ki] bir kalkan oluşturduğunuzu) alabileceğiniz tüm yolları önceden tahmin ederek, kalkanın kendisi dışarıdan ortadan kaldırıldığından daha fazla arka plan [gürültü] yaratır mı?
Cushman, önümüzdeki on yıl içinde SuperCDMS'nin algılayabilecek kadar hassas hale gelmeyi hedeflediğini açıklıyor. nötrinolar Güneşteki nükleer reaksiyonlar gibi radyoaktif bozunma ile oluşan neredeyse anlaşılmaz derecede küçük kütlelere sahip elektriksel olarak nötr parçacıklar. Bu noktada, nötrinolar karanlık madde parçacıklarına diğer herhangi bir girişim türünden daha fazla benzeyeceğinden, deney arka plan sinyallerini engellemede benzeri görülmemiş zorluklarla karşılaşacaktır.
Cushman, [nötrinolar] çok hafif kütle olduğundan, onları görecek kadar hassas olmadığımız için onlar için endişelenmemize gerek olmadığını varsaydık, diyor. Önceki deneyler, nötrinolardan gelen girişimin göz ardı edilebileceği daha yüksek kütle bölgelerinde karanlık madde parçacıkları arıyordu. Ama artık yeterince hassaslaştığımıza göre, aslında nötrino dedektörlerine dönüşüyoruz.
Üst: SuperCDMS SNOLAB deneyinin en önemli parçası, her biri altı dedektör paketi içeren dört dedektör kulesi olacaktır. Kuleler, dedektör paketlerinin neredeyse mutlak sıfıra soğutulacağı bir kap olan SNOBOX'un içine monte edilecek. Altta: Silikon ve germanyum kristallerinden yapılmış ve Texas A&M Üniversitesinde üretilmiş bir SuperCDMS SNOLAB dedektörü.(Üst: Greg Stewart/SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı; Alt: Matt Cherry/SuperCDMS İşbirliği/SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı)
Olası WIMP aralığının diğer ucunda, LZ daha ağır parçacıkları hedefler birkaç proton arasında on binlerce protona kadar olan kütlelerle . Deney, bir Rus koruyucu oyuncak bebekle çevrili on ton sıvı ksenondan (dünyanın yıllık arzının neredeyse dörtte biri) oluşuyor - ksenon, gama ışınlarını emen sıvıyla dolu ikinci bir kap içine yerleştirilmiş bir titanyum kap, hepsi başka bir kap içinde 70.000 galon su tutuyor.
Gilchriese, bir karanlık madde parçacığının ksenon ile etkileşime girdiğinde hem ışık hem de elektrik yükü oluşturduğunu söylüyor. Araştırmacılar, ilk ışık patlamasını tespit ediyor ve ardından elektrik yükü, 500 sensör tarafından tespit edildiği yerde, bir metreden fazla yukarı doğru sürükleniyor. Bu iki sinyalden elde edilen bilgiler, araştırmacıların ilk çarpışmanın hem enerjisini hem de yerini hesaplamasını sağlayacaktır. Çarpışmanın nerede gerçekleştiğini bulmak çok önemlidir, çünkü sinyalin kabın dışındaki parazitlerden mi yoksa araştırmacıların yalnızca bir karanlık madde parçacığının ulaşabileceğine inandığı saf ksenon banyosunun merkezindeki bir çarpışmadan mı kaynaklandığını ortaya çıkaracaktır.
SuperCDMS gibi, LZ de radyoaktiviteden gelen arka plan sinyallerini ortadan kaldırmanın önemli bir zorluğuyla karşı karşıyadır. [LZ ile selefi arasındaki] en belirgin fark, 30 kat daha fazla xenon olmasıdır. Ancak Gilchriese, 30 kat daha fazla xenon satın almanın kolay olduğunu, sadece para gerektirdiğini söylüyor. Gerçekten de, deneylere giren her şeyden radyoaktivite kaynaklarının nerede olduğunu anlamak bu yaygın gereklilik ve binlerce parça var. … Maruz kalmanızı sadece, bilirsiniz, havayla sınırlamak için olağanüstü adımlar atmalısınız.
Amerika Birleşik Devletleri dışındaki diğer gruplar, örneğin XENON projesi İtalya'da ve PandaX-II Çin'de de sıvı Xenon kullanarak WIMP'leri bulmak için yarışıyorlar. LZ 2020'nin ortalarında açıldığında, dünyanın dört bir yanından bilim adamları muhtemelen algılanan bir sinyal beklentisiyle nefeslerini tutacaklar.
Bir şey gördüğümüzü varsayalım, değil mi? Gilchriese, bir sonraki adımın daha da büyük bir [deney] inşa etmek olacağını çünkü daha fazlasını görmek istediğimizi söylüyor. Hiçbir şey görmüyorsanız, bazı ilginç seçenekleriniz var. LZ'nin büyük bir versiyonunu yapmak için yüz milyonlarca dolar mı harcıyorum, yoksa farklı kitle bölgelerine bakma yeteneğimi genişletmek için 10 veya 100 milyon dolar mı harcıyorum? Önümüzdeki beş yıl içinde ne göreceğimize bağlı.
* * *
LZ ve SuperCDMS gibi zayıf etkileşimli büyük bir parçacığı tespit etme şansı daha önce olanlardan daha iyi olan projelere rağmen, WIMP, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ve önceki sıvıdan elde edilen sonuçların olmaması nedeniyle son yıllarda bir şüpheci kalabalığı çekti. ksenon deneyleri. İnsanlar WIMP konusunda gerginler ama sadece gerginler, diyor Leslie Rosenberg , Washington Üniversitesi'nden bir fizikçi. LZ ve/veya SuperCDMS'nin WIMP'yi bulması beni şaşırtmaz. Büyük düşünmedikleri için topluluğun şaşıracağını düşünüyorum. Sabah kalkarlar, kahvelerini içerler, gazete okurlar, işe giderler, vb. … Yani her gün olasılıkları düşünmüyorlar. Işığı görmüyorlar.
Rosenberg, WIMP'lere inansa da, onları aramıyor. Bunun yerine, Axion Dark Matter Experiment G2 ( ADMX G2 ), barındırılan SİZİN , tamamen farklı bir canavar olarak adlandırdığı axion adlı alternatif bir karanlık madde adayı arıyor.
Bir Roberto Peccei ve Helen Quinn tarafından önerilen teori 1970'lerde, axion'un bir elektrondan yaklaşık bir trilyon kat daha az kütleli olduğu tahmin ediliyordu, bu da o kadar zayıf bir etkileşim üretiyordu ki, bu lakabı görünmez axion kazandı. Bununla birlikte, WIMP'lerin aksine, eksenlerin, evrenimizin yaşının çok ötesine uzanan zaman ölçeklerinde iki fotona bozunacağı tahmin edilmektedir.
Görünmez eksenleri tespit etmenin püf noktası, başlangıçta teorik fizikçiler tarafından önerilen bir fikir olan bu bozulma sürecini hızlandırmaktır. Pierre Sikivie ve Lawrence Krauss. Rosenberg'in tahminlerine göre, görünmez olmalarına rağmen, eksenler geniş bir kaynaktır - eğer varsalar - çevrenizdeki santimetre küp başına on trilyondan fazla eksen ile. Bu, kelimenin tam anlamıyla bir eksenler okyanusunda olduğunuzu ve orada olduklarına dair hiçbir fikriniz olmadığını düşünmek için harika bir şey.
Bu okyanustan bir sinyal üretmek için, Sikivie ve Krauss, eksenleri dağıtmak ve daha sonra tespit edilebilecek olan fotonlara bozunmalarını hızlandırmak için basitçe bir manyetik alan kullanılabileceğini öne sürdüler. Dönüştürme oranı, alanı bir rezonatörle veya araştırmacıların aradığı belirli bir eksen kütlesine karşılık gelecek şekilde ayarlanabilen belirli bir mikrodalga frekansı üreten bir cihazla çevreleyerek daha da arttırılabilir.
Washington Üniversitesi fizikçileri Leslie Rosenberg (sağda) ve Gray Rybka, Axion Dark Matter Experiment'in daha önceki bir versiyonunu, büyük bir süper iletken mıknatısın deliğinin üzerine yerleştirilmiş olarak inceliyor.(Mary Levin/Washington Üniversitesi)
Rosenberg, eksenlerin 30 yılı aşkın bir süredir teorize edilmiş olmasına rağmen, gerçek deneysel atılımın 2000'li yılların başında kuantum elektroniğindeki gelişmelerle gerçekleştiğini ve bu sayede bilim adamlarının sistemlerindeki gürültüyü azaltmalarını ve bu görünmez sinyalleri algılamak için gereken hassasiyeti elde etmelerini sağladığını söylüyor. Bugün, Rosenberg'in ekibi, rezonatörlerini dizilerindeki bir sonraki eksen kütlesini arayan yenisiyle değiştirmeden önce, her dokuz ayda bir tüm frekans bant genişliğini süpürerek, agresif bir şekilde parçacığın peşinden gidiyor.
Tüm bu deneylerde (LZ, SuperCDMS, ADMX) hepimiz, verilerimizde onu her an bulabileceğimize dair bir algıya sahibiz. Ve biz bu konuda çok ciddiyiz, diyor Rosenberg.
Projeler önemli ölçüde farklı varsayımsal parçacıklara odaklansa da, Rosenberg, karanlık maddenin hem WIMP'lerden hem de eksenlerden ve diğer adaylardan oluşmasının tamamen mümkün olduğunu söylüyor. Birbirinden bağımsız değiller. … Belki de Tanrı sonsuz bilgeliğiyle evreni bu kadar karmaşık hale getirmiştir, diyor. Bir gün doğa bize karanlık maddenin WIMP'lerin ve eksenlerin bir karışımı olduğunu ve dağınık olsun ya da olmasın diyebilir, öyle dedi.
Gilchriese, ADMX gibi deneylere kıyasla LZ hakkında benzer görüşlere sahiptir. Axionlar çok, çok küçük kütlelere bakar, oysa alabildiğiniz kadar ağır bakarız. Tamamen farklı deneysel teknikler, tamamen farklı yerlere bakıyorlar ve ikisine de ihtiyacınız var, diyor. Neler olup bittiğini bilmediğimiz için, o kadar neşeli.
ADMX'in birbiri ardına bir eksen kütlesini hızla keşfetmesi ve SuperCDMS ve LZ'nin WIMP'leri aramak için yeni bir araştırma çağına hazırlanmasıyla birlikte, havada rahatsız edici bir soru var. Ya bunca yıldan sonra ve milyonlarca dolar , bir sinyal hiç gelmiyor mu? Ya tek sonuç, düşündüğümüz yerde bir karanlık madde parçacığının olmadığını bulmaksa?
Cushman, daha yüksek bir duyarlılığa ulaştığımız ve bir şey görmediğimiz her seferinde, karanlık maddenin doğası hakkında çok kesin açıklamalar yaptığımızı söylüyor. İsterseniz olumsuz ifadeler ama dünyaya bakışımızı kesinlikle değiştiriyorlar. Ve bu olumsuz ifadeler olmadan başka bir model denemezdik. Düşündüğümüzden farklı bir şey için daha çok çalışmamız gerektiğini söylemeyiz.
Rosenberg için, günlük keşif vaadi, fiziğin en uzun bekleme oyunu olabilecek bu konuda şüpheye karşı onu ayakta tutmak için yeterli. Kütlenin yüzde 90'ının bildiğimiz bir şey olmadığı fikri… [bu] yeni bir şey, egzotik bir şey. Ve sonunda görebildik, diyor. Buna nasıl heyecanlanmıyorsunuz? Sabah kalktığımda yataktan kalkıp kahvemi içebilmem için beni uyandıran tek şey bu deney ve bu fikir.
Bu arada, bilim adamları evrenin çoğunu oluşturan maddeyi, her seferinde bir varsayımsal parçacık bulmak için acele ederken, geri kalanımız kahvemizi kenardan içebilir.