Uued Tehnikad Võiksid Suunata Eksootilisemat Tumeainet

Pärast aastakümneid kestnud katseid pole õnnestunud leida tõendeid füüsikute poolt soositud tumeaine kandidaatosakeste kohta, kavandavad teadlased alternatiivide otsimist.

Kus on tumeaine? Teadlased, kes on aastakümneid jahtinud asju, mis moodustavad suurema osa kosmose massist, hakkavad muretsema, et nad otsivad valesid kohti. Pärast viimaste nulltulemuste ilmumist sel suvel kõige tundlikumate osakeste otsimisel, mis arvasid moodustavat tumeaine, jääb osakeste jaoks elujõuline piiratud masside ja muude omaduste vahemik. Nüüd on füüsikud välja pakkunud kaks uut meetodit selle õhukese allesjäänud territooriumi traalimiseks, mis on seni olnud katsetele kättesaamatu.

Suurem osa universumi massist on tumeaine, umbes 80% sellest. Kuigi me ei näe seda ega saa seda puudutada, teavad teadlased, et selle raskusjõud moonutab kaugete objektide pilte ja hoiab galaktikaid koos. Alates 1980ndatest on sügavale mägedesse ja miinidesse mattunud katsed kannatlikult oodanud, kas tumeaine osake läbib. Euroopa suur hadroni põrkekeha (LHC) lööb teisi osakesi kokku, lootes selle käigus tekitada tumeainet. Kuid seni pole tabamatut ainet Lõuna-Dakotas LHC ega Suure maa-aluse ksenooni (LUX) eksperimendi käigus ilmneda õnnestunud. Teadlased seisavad nüüd silmitsi kasvavate vihjetega, et olemasolevad eksperimendid võivad olla suunatud valet tüüpi osakestele ja tumeaine leidmine nõuab uusi tehnikaid.

Tumeaine otsingud on seni otsinud peamiselt „nõrgalt interakteeruvaid massilisi osakesi” (WIMP), teoreetilisi osakesi, mis kaaluksid vahemikus 1 gigaelektronvolt (GeV) kuni 1 teraelektronvolt (TeV) või vahemikus üks kuni 1 000 kordne prootoni mass. Paljud füüsikud on pikka aega pidanud neid kõige lootustandvamateks tumeaine kandidaatideks, sest teooria eeldab, et WIMP-d peaksid universumisse panema umbes sama palju massi, kui tumeaine astronoomid on mõõtnud, kuid osakesed pole siiani ilmunud. Need katsed kipuvad mõnes tuvastamismaterjalis harva otsima aatomeid mõjutavaid WIMP-sid; LUX-i puhul on materjal vedel ksenoon, kuid teised on kasutanud tahket germaaniumi või muid aineid.

"WIMP-i paradigma on piiramisrõngas" pärast seda, kui nii paljud ebaõnnestumised nende leidmiseks on piiranud nende kohtade arvu, mida nad võiksid veel varjata, ütleb Kathryn Zurek Lawrence Berkeley riiklikust laborist Berkeleys, Californias. Zurek juhtis kahte hiljutist uuringut, milles pakuti välja uusi viise tumeaine otsimiseks WIMP-st kergemate osakeste kujul, näiteks nn asümmeetriline tumeaine. Sellised osakesed võivad mõne seni avastamata tumeda jõu kaudu suhelda tavaliste osakestega, millest me teame. "Idee on selles, et teil võib olla see varjatud sektor, kus tumeaine on tõeliselt hele … ja sellel võib olla üksikute osakeste vastasmõju [tavaliste] osakestega," ütleb Zurek. "See pole paradigma, millele inimesed olid tegelikult mõelnud vähem kui kümme aastat tagasi."

Traditsiooniliste tumeaine detektormaterjalide asemel kasutatakse Zureki meeskonna esimeses meetodis ülijuhtivat alumiiniumi - ainet, mille elektronid võivad vabalt ilma vastupanuta liikuda. Ülijuhis seovad elektronid end nn "Cooperi paaridena" partnerelektroonidega. Siseneva tumeaine osakese energia võib lõhkuda ühe neist paaridest ja saata vibratsiooni läbi ülijuhi, mida ülitundlikud soojusdetektorid, mida nimetatakse üleminekuanduriteks (TES), loeksid välja. Teadlased avaldasid selle meetodi mullu jaanuaris ajakirjas Physical Review Letters.

Eelmisel kuul ajakirjas Physical Review Letters avaldatud teises meetodis kasutatakse ülivedelikku heeliumi, ülekülmade heeliumi aatomite nullviskoossusega vedelikku, mis suudab üksteise ümber liikuda ilma igasuguse vastupanuta. Sissetulev tumeaine osake võib suhelda heeliumituumaga, põhjustades ahelreaktsiooni, mis saadab foononite, kvanthelilainete komplekti TES-idele. Mõlemad meetodid nõuavad signaali tekitamiseks palju kergemat koputamist tumeainest detekteerimismaterjali kui olemasolevad katsed ja võivad seetõttu märgata nii kergeid osakesi kui 1 keV, mis on prootoni massi miljonosa. Traditsioonilised katsed on tundlikud ainult nii kergetele osakestele kui 10 MeV, kümme tuhat korda raskemad kui keV.

Praeguse põlvkonna tumeaine katsed saavad täiendusi; LUX-ist on saamas LUX-ZEPLIN (ZonEd Proportional scintillation in LIquid Noble gaasid) või LZ eksperiment, XENON100 Itaalias on XENON1T ja Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS) Minnesotas kolib uuele Kanada saidile. Kuid isegi täiustatud versioonid saavad parimal juhul proovida ainult umbes 10 MeV. Kui nad midagi ei leia, otsivad teadlased tõenäoliselt selliseid ettepanekuid nagu Zurek, et uurida potentsiaalsete osakeste veelgi kergemaid masse. Sellised katsed nõuavad siiski uurimist ja arendamist, kuidas ülijuhtivad alumiinium- või ülivedeliku heeliumi detektorid tegelikult välja näevad ja kuhu nad peaksid sellise detektori ehitama. "Need katsed on tehniliselt keerukad, kuid mitte eriti kallid," ütleb Zurek.

"[See uurimus] on suund, kus see valdkond osaliselt liigub, kuna me ei ole leidnud standardseid WIMP-sid," ütleb Illinoisi Fermi riikliku kiirenduslabori teadlane ja SuperCDMSi pressiesindaja Dan Bauer. Kuigi teadlased jätkavad lootust suurema massiga WIMP-de ilmumisele, "saime aru, et oleme alati vaadanud teatud laternapostide all. Heledamate tumeaine osakeste jaoks on saadaval palju territooriumi.”.

Ja kui eksperimentalistid ehitavad detektoreid, mis suudavad märgata kergemaid osakesi, pakuvad teoreetilised füüsikud tõenäoliselt rohkem ideid tumeaine kandidaatosakeste tüüpide kohta, mida seal leidub. "Teoreetikud on väga loovad," ütleb Bob Jacobsen, California ülikool, Berkeley, füüsik, kes töötab LUXis ja LZ-is. "Kui on mõni [massi] piirkond, mida pole uuritud, ütlevad teoreetikud, kas nad saavad teha midagi matemaatiliselt järjepidevat. Kui nad selle avaldavad, on meie asi see välistada.”.

Ülijuhtide ja ülivedelike detektorite kontseptsioonide tõestamine nõuab lõpuks füüsikutelt aja jaotamist praeguste otsingute ning uurimis- ja arendustegevuse vahel, ütleb Princetoni ülikooli füüsik Chris Tully. "Peate neid tehnoloogiaid üles ehitama paralleelselt jooksvate katsetega," ütleb ta. Ta loodab hakata makette nägema viie kuni kümne aasta pärast, sõltuvalt rahastamisest (ehkki Zurek ise arvas, et see oleks lähemal kümnele aastale). Kui eksperiment Tully töötab, on Princetoni valguse, varase universumi, massiivse neutrino saagikuse (PTOLEMY) vaatluskeskus ja SuperCDMS TES-id juba välja töötatud, peavad teadlased tulevasi detektoreid täiendavalt katsetama, et nad saaksid tumeaine osakesed saastumisest välja noppida kiirgus, mis põhjustab detektoris sarnase signaali. Praegused katsed asuvad sügaval maa all või mägedes, et kaitsta kosmilisi kiiri, kosmosest pärinevaid kõrge energiaga osakesi, mis tekitavad signaale, mis võivad tumeda aine varjata. Ülivedelike või ülijuhtide katsed vajaksid selle asemel varjestust hulkuvate elektromagnetlainete eest, näiteks mobiiltelefonide eest, ütleb Zurek. Bauer ütleb, et SuperCDMSi Sudbury Neutrino observatooriumi labor ehitab praegu sellist varjestust. Lõppkokkuvõttes: "See on hämmastav, kui vähe me teame," ütleb Jacobsen. "Otsime kuriteopaigalt esimest vihjet. Kui teil pole esimest aimugi, ei tea te ka, kust otsida.”.