ماده تاریک ممکن است در مرزهای کم انرژی کمین کند - شواهدی وجود دارد

فهرست مطالب:

ماده تاریک ممکن است در مرزهای کم انرژی کمین کند - شواهدی وجود دارد
ماده تاریک ممکن است در مرزهای کم انرژی کمین کند - شواهدی وجود دارد
Anonim

اثرات اسرارآمیز در نسل جدید آشکارسازهای ماده تاریک می تواند خبر از یک کشف انقلابی بدهد. طی یک سال گذشته ، دانشمندان با این آشکارسازها ناگهان متوجه افزایش یا بیش از حد میزان مواجهه با انرژی کم شده اند.

حتی پس از چندین دهه جستجوی سخت ، دانشمندان نتوانسته اند ذره ای از ماده تاریک را پیدا کنند. دانشمندان شواهدی تقریبا "آهنین" از وجود این نوع ماده ارائه می دهند ، اما تا به امروز نمی توان تعیین کرد که در واقع این ماده از چه چیزی تشکیل شده است. برای چندین دهه ، فیزیکدانان به این فرضیه پایبند بوده اند که ماده تاریک سنگین است و از ذرات عظیم به اصطلاح متقابل ضعیف تشکیل شده است - WIMP ، که ظاهراً می تواند به راحتی در شرایط آزمایشگاهی تشخیص داده شود.

با این حال ، علیرغم سالها تحقیق سخت و سخت ، دانشمندان هنوز موفق به یافتن WIMP ها نشده اند. و فیزیکدانان با شور و شوق بیشتری به جستجو پرداختند. همانطور که محققان آزمایشات دقیق تری را انجام می دهند و داده های بیشتری را جمع آوری می کنند ، ارزیابی مجدد فرضیه هایی وجود دارد که نشان می دهد چگونه آشکارسازها می توانند ذرات ماده تاریک را که جرم آنها سبک تر از یک پروتون است ، ضبط کنند. و در ابتدای سال جاری در سرور پیش چاپ arXiv. org ، دو مقاله منتشر شد که به نمادی از تغییر در فیزیک تبدیل شد. در این مقالات ، نویسندگان برای اولین بار پیشنهاد می کنند که تلاشها را بر جستجوی پلاسمونها (حرکتهای جمعی الکترونها در ماده) تولید شده توسط ماده تاریک متمرکز کنند.

اولین مقاله توسط گروهی از دانشمندان متخصص در مطالعه ماده تاریک در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده نوشته شده است. Enrico Fermi (Fermilab) در Batavia ، Illinois ، و همچنین متخصصان دانشگاه ایلینوی در Urbana-Champaign و از دانشگاه شیکاگو. دانشمندان فرض کرده اند که ماده تاریک با جرم کم قادر به تولید پلاسمون است و این ذرات را می توان با استفاده از برخی آشکارسازها اسیر کرد. با الهام از این مقاله پیشگام ، تونگیان لین و جاناتان کوزاچوک ، فیزیکدانان دانشگاه سن دیگو ، این احتمال را محاسبه کردند که آشکارسازها قادر به تشخیص ماده تاریک با جرم کم هستند.

گوردان کرنایچ ، نویسنده و نویسنده اول مقاله ، می گوید: "ما فریاد می زنیم" پلاسمون ، پلاسمون ، پلاسمون! "زیرا به نظر ما این پدیده جذاب به ما در توضیح آزمایشات با ماده تاریک کمک می کند." فرمی لاب و موسسه کاولی فیزیک کیهان شناسی در دانشگاه شیکاگو. فیزیکدانان ذرات ، همراه با اخترفیزیکدانان ، یک دهه است که مشکل تشخیص ماده تاریک با جرم کم را بررسی می کنند. بلکه شیمی دانان و دانشمندان مواد) ، که شناسه ها ، علائم هستند. ، ماده تاریک

یونیت هوچبرگ ، فیزیکدان نظری در دانشگاه عبری اورشلیم ، که در مورد نتایج به دست آمده از تیم کرنایچ اظهار نظر می کند ، می گوید: "من فکر می کنم این عالی است." "به نظر من این واقعیت که [پلاسمونی] وجود دارند که قادرند به طریقی ناشناخته عمل کنند ، نتیجه ای بسیار مهم است که واقعاً نیاز به مطالعه بیشتر دارد."

برخی از دانشمندان به نتایج اولین مقاله منتشر شده با شک و تردید زیادی نگاه می کنند.همانطور که کاترین زورک ، پژوهشگر ماده تاریک در موسسه فناوری کالیفرنیا ، عنوان کرد ، به عنوان مثال ، مقاله "من را کاملاً قانع نمی کند" و افزود: "من فقط نمی دانم چگونه کار می کند." (اضافه می کنیم که زورک نیز در نگارش این مقالات شرکت نکرده است).

به نوبه خود ، یکی از نویسندگان مقاله اول نوح کورینسکی ، که در زمینه مطالعات ماده تاریک در فرمی لاب و در م Instituteسسه فیزیک کیهان شناسی مشغول فعالیت های آزمایشی است. کاولی معتقد است که واقعیت انتقاد کارشناسان اصلاً غیرعادی نیست. "ما برای آنها وظیفه ای تعیین کردیم: اثبات اینکه ما در اشتباه هستیم. و من معتقدم که این امر به نفع تحقیقی است که در این زمینه از فیزیک انجام می شود. این همان چیزی است که آنها باید تلاش کنند ، "کورینسکی می گوید.

تلاش ها را با هم ترکیب کنید

شکار مواد نامرئی ، که تقریبا هیچ اثری از خود بر جای نمی گذارد ، معمولاً چیزی شبیه به این است: برای تشخیص ذرات ماده تاریک ، فیزیکدانان قطعه ای از مواد را برداشته ، آن را در جایی عمیق زیرزمین قرار داده ، به تجهیزات وصل کرده و سپس منتظر می مانند. به امید رفع سیگنال به طور خاص ، دانشمندان امیدوارند که یک ذره ماده تاریک مستقیماً به آشکارساز برخورد کند و در نتیجه الکترون ها ، فوتون ها یا حتی حرارت قابل تشخیص توسط تجهیزات ایجاد شود.

رویکردهای نظری برای تشخیص ماده تاریک در مقاله ای قدمت دارد که به سال 1985 باز می گردد. در آن توضیح داده شد که چگونه می توان یک آشکارساز نوترینو را برای جستجوی ذرات ماده تاریک به کار گرفت. همانطور که در آن مقاله نشان داده شده است ، یک ذره ماده تاریک ورودی می تواند به هسته اتمی ماده ای که آشکارساز از آن ساخته شده ضربه بزند و به آن ضربه بدهد ، همانطور که یک توپ بیلیارد ، در برخورد با دیگری ، به آخرین آنها ضربه می زند. در نتیجه این برخورد ، ماده تاریک که به اندازه کافی به هسته ضربه می زند ، یک حرکت ایجاد می کند ، در نتیجه یک الکترون یا فوتون به بیرون پرواز می کند.

همه چیز در انرژی های عالی عالی می شود. اتم های موجود در آشکارساز را می توان به عنوان ذرات آزاد ، گسسته و بدون ارتباط با یکدیگر مشاهده کرد. با این حال ، در انرژی های کمتر ، تصویر تغییر می کند.

یوناتان کان ، یکی از نویسندگان مقاله اول ، از دانشگاه ایلینوی در اوربانا-چمپین ، که ماده تاریک را مطالعه می کند ، می گوید: "اما آشکارسازها از ذرات آزاد ساخته نمی شوند." "آنها فقط از یک ماده بسیار خاص ساخته شده اند. بنابراین اگر می خواهید دقیقاً بدانید که آشکارساز شما چگونه کار می کند ، باید تمام اطلاعات مربوط به این ماده را داشته باشید."

در داخل آشکارساز ، یک ذره ماده تاریک با جرم کوچک هنوز حرکت را منتقل می کند ، اما در نتیجه برخورد ، بقیه ذرات مانند توپ ها در بیلیارد پراکنده نمی شوند ، بلکه شروع به ارتعاش می کنند. به عبارت دیگر ، قیاس توپ پینگ پنگ در اینجا مناسب تر است.

لین توضیح می دهد: "به محض حرکت به سمت ماده تاریک با جرم کمتر ، اثرات دیگر - ظریف تر - در اینجا شروع می شود." این تأثیرات ظریف به معنای چیزی است که فیزیکدانان دوست دارند آن را "تحریکات جمعی" بنامند. و معنی در اینجا این است: اگر چندین ذره همزمان با یکدیگر حرکت کنند ، راحت تر می توان آنها را به عنوان یک کل واحد ، مثلاً به عنوان یک موج صوتی متشکل از تعداد زیادی اتم ارتعاشی توصیف کرد.

اگر الکترونها شروع به این رفتار کنند ، در این صورت پلاسمونها بوجود می آیند. اگر گروهی از هسته های اتمی شروع به لرزش کنند ، تحریک جمعی آنها فونون نامیده می شود. این پدیده معمولاً توسط فیزیکدانان اخترفیزیک و فیزیکدانان با انرژی بالا در حال مطالعه ماده تاریک روبرو می شود. با این حال ، آنها آن را بی ربط می دانند.

اما ، همانطور که فیلیپ اندرسون برنده جایزه نوبل فیزیک یک بار اظهار داشت ، "بیشتر به معنی متفاوت است" ، یعنی ما در مورد این واقعیت صحبت می کنیم که با رشد سیستم ، می تواند قوانین رفتاری کاملاً متفاوتی داشته باشد [منظور مقاله فیلیپ اندرسون است. ، 1972. "بیشتر متفاوت است" ، یعنی بیشتر متفاوت است ، - تقریبا. ترجمه.]. به عنوان مثال ، یک قطره آب بسیار متفاوت از یک مولکول آب (H2O) رفتار می کند. یوناتان کان می گوید: "من کاملاً با این مفهوم غرق شده ام."

روشهای تولید پلاسمون مورد استفاده در هر دو مقاله تا حدودی متفاوت از یکدیگر است.با این حال ، نویسندگان به یک نتیجه می رسند: ما واقعاً باید به دنبال سیگنال هایی باشیم که نشان دهنده تولید پلاسمون ها است. به طور خاص ، طبق محاسبات لین و کوزاچوک ، میزان تشکیل یک پلاسمون توسط ماده تاریک با جرم کم تقریباً یک ده هزارم سرعت ظاهر شدن یک الکترون یا فوتون خواهد بود. این مقدار ممکن است بعید به نظر برسد ، اما برای فیزیکدانان کاملاً دقیق است.

افزایش انرژی در تاریکی

تا همین اواخر ، حساس ترین آشکارسازها برای تشخیص ماده تاریک از مخازن غول پیکر زنون مایع استفاده می کردند. با این حال ، در چند سال گذشته ، نسل جدیدی از آشکارسازهای حالت جامد کوچکتر جایگزین آنها شده است. آنها با کلمات اختصاری EDELWEISS III ، SENSEI و CRESST-III شناخته می شوند و از موادی مانند ژرمانیوم ، سیلیکون و شیلایت ساخته شده اند. چنین آشکارسازهایی نسبت به برخورد با ماده تاریک حساس هستند ، که می تواند منجر به تولید یک الکترون شود.

اما همه آشکارسازها ، صرف نظر از درجه حفاظت آنها ، نسبت به سر و صدای خارجی حساس هستند ، که منابع آنها می تواند ، به عنوان مثال ، تشعشعات پس زمینه باشد. و بنابراین در سال گذشته ، دانشمندان با چندین آشکارساز ماده تاریک ناگهان شروع به افزایش یا افزایش تعداد ضربه های کم انرژی کردند ، اما آنها در سکوت از این واقعیت گذشتند.

این مقاله توسط کورینسکی و همکارانش برای اولین بار به شباهت قابل توجهی بین چنین "افراط" هایی با انرژی کم اشاره کرد که در آزمایش های مختلف با ماده تاریک مشاهده شده است. به نظر می رسد که برخی از این افراط در حدود 10 هرتز بر کیلوگرم جرم آشکارساز متمرکز شده است. و از آنجا که آشکارسازها از مواد مختلف ساخته شده اند ، در مکانهای کاملاً متفاوتی قرار گرفته اند و در شرایط متفاوتی از یکدیگر عمل می کنند ، بنابراین هیچ دلیل جهانی دیگری برای این قوام عجیب وجود ندارد ، به جز تأثیر ظریف ماده تاریک. بحث علمی بعدی توجه فیزیکدانان دیگری مانند لین را به خود جلب کرد که به سرعت روی ریاضیات مربوط به پلاسمون کار کردند. اما حتی لین تردید دارد: اگر نتایج آزمایش های انجام شده در زمان کنونی نشان دهد که پلاسمون ها نه توسط ماده تاریک ، بلکه توسط چیز دیگری تولید می شوند ، چطور؟ "من نمی گویم که عامل ماده تاریک نیست. من فقط می گویم که ماده تاریک به نظر من تا کنون یک عامل قانع کننده نیست."

این فرضیه بارها مورد آزمایش و بررسی مجدد قرار می گیرد زیرا داده های جدید از جدیدترین آشکارسازهای ماده تاریک بدست می آید. اما مهم نیست که آشکارسازها در حال حاضر در حال کشف این ماده مرموز هستند یا خیر. اکنون دانشمندانی که در این زمینه از فیزیک کار می کنند ، در حال مطالعه پلاسمون ها و روش های دیگر رفتار ماده تاریک با جرم کم هستند. تحقیقات در حال انجام است.

کرزاچ می گوید: "من اشتباه نمی کنم که ما اشتباهات زیادی مرتکب شده باشیم ، اما همه آنها به خود علاقه نشان می دهند."

توصیه شده: