Najlepszym miejscem do poszukiwania ciemnej materii mogą być wnętrza Ziemi

Prawie w dwóch dziesiątkach laboratoriów, rozrzuconych po całym świecie, ustawionych чанами z płynem lub blokami z metali i półprzewodników, naukowcy szukają ślady ciemnej materii. Ich eksperymenty stają się coraz trudniejsze, a wyszukiwanie odbywa się wszystko dokładniej, ale na razie nikt nie znalazł bezpośrednich dowodów na istnienie tajemniczej substancji, z której składa się 84% całej materii we Wszechświecie. Według nowego badania, musimy dojrzewać do korzeni, czyli jeszcze głębiej.

Ciemna materia różni się od zwykłej барионной materii — substancji, z której zbudowane są gwiazdy, galaktyki, psy, ludzie i wszystko inne — tym, że nie komunikuje się ani z czym w żaden sposób, jak tylko przez grawitację (i, być może, słabą jądrową życie). My tego nie widzimy, ale fizyki prawie pewien, że ona istnieje i jak rzeźbiarz rzeźbi galaktyki na ich podróż przez kosmos.

Od wielu lat preferowanymi kandydatami na cząstki ciemnej materii były hipotetyczne skromne cząstki — "вимпы" (WIMP), lub słabo oddziałujące masywne cząstki. Wiele eksperymentów starają się znaleźć вимпы śladami ich kolizji z normalną substancją. W takim scenariuszu вимп musi dotknąć jądra atomowego przez słabe siły. Przerażone rdzeń odskoczy i wyda ostatni energię w jakiejś formie, światło lampy błyskowej lub falę dźwiękową. Wykrywanie takich ledwo zauważalnych zjawisk wymaga delikatnych narzędzi, które zwykle są głęboko pod ziemię. Dzieje się tak głównie dlatego, że narzędzia będą chronione od promieni kosmicznych, które również mogą wywoływać reakcję rdzeni.

Po dziesięciu lat poszukiwań tych słabych sygnałów, naukowcy praktycznie nic nie znaleźli. I oto, zespół fizyków z Polski, Szwecji i USA zaproponowała inny pomysł. Oni uważają, że trzeba patrzeć nie na german, xenon i сцинтилляторы w детекторах pod skorupą ziemską. Oni uważają, że trzeba patrzeć na samej skorupie ziemskiej. W kronikach skał, gdzie są rejestrowane i pokryte warstwami historii naszego układu Słonecznego, możemy znaleźć skamieniałe wpisów zmartwioni jąder atomowych, mrożone ślady WIMPов.

"zawsze szukamy alternatywne podejścia", mówi Catherine Fryz, fizyk-teoretyk z uniwersytetu Michigan i twórca idei, które legły u podstaw istniejących detektorów.

Podziemny палеодетектор będzie działać podobnie do nowoczesnych metod bezpośredniego wykrywania. Zamiast tego, aby wyposażyć laboratorium z dużą ilością płynu lub metalu do obserwacji błysków WIMP w czasie rzeczywistym, można znaleźć skamieniałe ślady WIMP, врезающихся w jądra atomowe. Niektóre klasy minerałów może zablokować takie ślady.

Jeśli jądro odbija z wystarczającą energią, a jeśli oburzeni atomy następnie są głęboko pod ziemią (aby chronić próbkę od promieni kosmicznych, które mogą zmylić dane), ślad odbicia może być zapisany. Jeśli tak, to naukowcy mogą wydobyć kamień, rozebrać go warstwami czasu i badać wydarzenia z przeszłości, używając zaawansowanych technik нановизуализации, jak atomowej siłowej mikroskopii. Efektem końcowym będzie ślad skamieniałości: ślad зауропода podczas jego ucieczki przed drapieżnikiem, tylko w terminologii ciemnej materii.

Małe ślady

Około pięciu lat temu Fryz zaczęła szukać pomysłów dla nowych typów detektorów wraz z Andrzejem Друкиером, fizykiem z uniwersytetu Sztokholmskiego, który rozpoczął swoją karierę od nauki detekcji ciemnej materii, zanim się biophysics. Jednym z ich pomysłów, opracowany razem z biologiem George Черчем, dotyczyła detektorów ciemnej materii, opartych na DNA i reakcji enzymów.

W 2015 roku Друкиер udał się w rosyjski Nowosybirsk, aby popracować nad prototypem biologicznego detektora, który zostanie umieszczony pod powierzchnią ziemi. W Rosji dowiedział się o nawiercone otwory w czasie zimnej wojny, niektóre z nich wychodzą na 12 kilometrów w dół. Żadne promieniowanie kosmiczne nie mogą przeniknąć tak daleko. Друкиер był zaintrygowany.

Zwykłe czujniki ciemnej materii stosunkowo duże i bardzo wrażliwe na nagłe zdarzenia. Spędzają swoje poszukiwania w ciągu kilku lat, ale w większości szukają sygnały WIMP w czasie rzeczywistym. Minerały, choć stosunkowo niewielkie, i mniej wrażliwe na współpracy, mogą uosabiać wyszukiwanie, który trwał setki milionów lat.

"Tym kawałku skały, wyniesionych z bardzo, bardzo głębokich rdzeni, niemal miliard lat", mówi Друкиер. "Im głębiej idziesz, tym są one starsze. Nie trzeba budować detektor. Detektor już jest w ziemi".

Ale ziemia ma swoje problemy. Planeta jest pełna radioaktywnego uranu, który produkuje neutrony w miarę rozpadu. Te neutrony mogą wybić jądra. Fryz mówi, że pierwsza praca naukowców, opisujący палеодетекторы, nie uwzględniał hałas, który jest tworzony rozpadu uranu, ale wiele komentarzy innych zainteresowanych naukowców zmusiły ich do powrotu i przejrzeć dokument. Drużyna rozegrała dwa miesiące, studiując tysiące minerałów, aby zrozumieć, które z nich są izolowane od rozpadu uranu. Oni twierdzą, że najlepsze палеодетекторы będą składać się z morskich эвапоритов — w istocie, soli kamiennej lub skał, zawierających bardzo mało krzemionki, które nazywane są ультраосновными skał. Ponadto, są szuka minerały zawierające dużo wodoru, ponieważ wodór skutecznie blokuje neutrony powstałe z rozpadu uranu.

Wyszukiwanie śladów w glebie może doprowadzić nas do маломассивным вимпам, uważa Trace Слатьер, fizyk z mitinstytutu, nie podejmująca udziału w badaniach.

"szukasz jądro, które jak gdyby z jakiegoś powodu skacze, ale to musi odbić się na określoną kwotę, aby go zauważyć. Jeśli piłeczka do ping-ponga zmierzy się z kulą do kręgli, możesz nie zauważyć szczególnej przesunięcia ostatniego — jeśli tylko nie masz możliwości zarejestrować najdrobniejsze zmiany w ruchu kuli do kręgli".

Najbardziej skomplikowany eksperyment

Praca w warunkach polowych będzie trudne. będą odbywać się głęboko pod ziemią, gdzie próbki rdzeniowe będą chronione od kosmicznego i słonecznego promieniowania. I do wykrywania dowodów растолканных rdzeni potrzebne są nowoczesne metody нановизуализации.

Według Слатьер, nawet jeśli WIMP pozostawia widoczne blizny, głównym problemem палеодетекторов będzie dowód na to, że kopalne ślady naprawdę rodzą się cząstkami ciemnej materii. Badaczów będzie musiał spędzić dużo czasu, aby przekonać się, że interakcje z jąder — to nie jest praca neutronów, neutrino Słońca lub coś innego.

"Trzeba zejść bardzo głęboko, aby uchronić się od promieni kosmicznych. Ale to nie laboratorium. To nie jest kontrolowane warunki. Możesz nie wiedzieć pełnej historii kamienia. Nawet jeśli znajdziesz w nich sygnał, będzie musiał wykonać znacznie więcej pracy, aby upewnić się, że nie widzisz jakieś tło".

Друкиер i Fryz uważają, że siła палеодетекторов może leżeć w liczbach. Rasa zawiera wiele minerałów, z których każdy zawiera jądra atomowe, które w różny sposób odbijają się od grasujące вимпов. Dlatego różne elementy będą służyć różnymi detektorami, ale wszystkie one są zamknięte w jeden wzór kerna. W przyszłości палеодетектор mógł nawet zapewnić wpisów o вимпах w czasie, podobnie jak skamieniałości umożliwiają палеонтологам zrekonstruować historię życia na Ziemi.

Zdaniem Слатьер, długa kronika mogła zaoferować unikalną perspektywę na halo ciemnej materii w Drodze Mlecznej, chmura niewidzialnego materiału, przez który przepływa Ziemia, gdy układ słoneczny wykonuje swój ruch po orbicie w odległości 250 milionów lat wokół centrum galaktyki. Zrozumienie dystrybucji halo ciemnej materii w Drodze Mlecznej może dać wyobrażenie o jego fizycznym zachowaniu, mówi Слатьер. Być może jest to również pokaże, czy ciemna materia komunikować się w sposób, który wykracza poza granice grawitacji.

"to Właśnie tutaj teoria i symulacji znajdują się w fazie aktywnego rozwoju", mówi ona. "Jak mamy znaleźć ciemną materię", pyta Друкиер. "Spędziłem trzydzieści pięć lat w jej poszukiwaniu. Jest to chyba najbardziej skomplikowany eksperyment w świecie, musimy więc może nie przeżyć. Ale to jest fajne".

Myślisz, że znajdziemy kiedyś? Powiedz w naszej