Zapoluj na ciemną materię w skarbcu w Neutrino Alley

Naukowcy z Oak Ridge National Laboratory podjęli próbę obserwacji ciemnej materii w jasno oświetlonym korytarzu w piwnicy, wykorzystując czułość swoich detektorów neutrin. Aleja Neutrino, w której pracuje zespół, znajduje się pod Spalacyjnym Źródłem Neutronów, potężnym akceleratorem cząstek. Po latach teoretycznych obliczeń zespół COHERENT postanowił obserwować ciemną materię, która, jak się uważa, stanowi do 85% masy Wszechświata. Eksperyment pozwolił zespołowi rozszerzyć globalne poszukiwania ciemnej materii w nowy sposób i planują otrzymać większy, bardziej czuły detektor, aby zwiększyć swoje szanse na wyłapanie cząstek ciemnej materii.

Niewiele rzeczy ma taką samą aurę tajemniczości jak ciemna materia. Sama nazwa emanuje tajemniczością, sugerując coś ukrytego w cieniu wszechświata.

Nazywany współpracującym zespołem naukowców zgodnyw tym Kate Schulberg, Distinguished Professor of Physics of Arts and Sciences, Philip Barbeau, profesor nadzwyczajny fizyki i doktor habilitowany Daniel Berchie, próbowali wydobyć ciemną materię z cienia wszechświata do mniej efektownego miejsca docelowego: jasno oświetlonego , ciasny korytarz w piwnicy.

Jednak nie jest to zwykła piwnica. Pracując w obszarze Oak Ridge National Laboratory, nazywanym Neutrino Alley, zespół zwykle koncentruje się na cząstkach subatomowych zwanych neutrinami. Powstają, gdy gwiazdy umierają i stają się supernowymi lub na poziomie bliższym Ziemi, jako produkt uboczny zderzeń protonów w akceleratorach cząstek.

Ciemna materia, niewidzialna materia, która stanowi 85% materii we wszechświecie, nie jest ukryta daleko między galaktykami. Zespół naukowców próbuje wydobyć ją z cienia. Źródło: promieniowanie rentgenowskie: NASA/CXO/Fabian et al. ; Radio: Gendron-Marsolais i in. ; NRAO/AUI/NSF Optyka: NASA, SDSS

Nieprzypadkowo Neutrino Alley znajduje się bezpośrednio pod jednym z najpotężniejszych na świecie akceleratorów cząstek, Oak Ridge’s. Spallacyjne źródło neutronów (SNS). Neutrino Alley zawiera kolekcję detektorów zaprojektowanych specjalnie do monitorowania neutrin, gdy przechodzą obok nich i zderzają się z nimi.

Jednak neutrina nie są jedynym produktem ubocznym procesów SNS. Ciemna materia (nie mylić z ulubioną antymaterią złoczyńcy) jest również wytwarzana, gdy akceleratory cząstek zderzają ze sobą protony. Po latach obliczeń teoretycznych zespół COHERENT postanowił wykorzystać moc SNS i czułość swoich detektorów neutrin do monitorowania ciemnej materii w Neutrino Alley.

„A my tego nie widzieliśmy” — mówi Schulberg. „Oczywiście, gdybyśmy to zobaczyli, byłoby to bardziej ekscytujące, ale nie zobaczenie tego jest w rzeczywistości dużym problemem”.

Wyjaśniła, że ​​fakt, iż ciemna materia nie została wykryta przez jej detektory neutrin, pozwala jej ulepszyć teoretyczne modele tego, jak wygląda ciemna materia.

„Dokładnie wiemy, jak zareagowałby detektor ciemnej materii, gdyby ciemna materia miała określone właściwości, więc szukaliśmy tej konkretnej sygnatury”.

Kate Schulberg, współautor Grayson Rich i Philip Barbeau. Źródło: Uniwersytet Long Li/Duke

Omawiany odcisk palca to sposób, w jaki jądra atomów w detektorze neutrin odbijają się, gdy uderzają w neutrino lub w tym przypadku cząstkę ciemnej materii.

„To jak rzucanie pociskami w kulę do kręgli na kawałku lodu” – powiedział Berchie. Kule do kręgli, w jego analogii, to atomy w detektorze neutrin – którym w tym eksperymencie był kryształ jodku cezu o masie 14,6 kg. „Możesz wiele powiedzieć o temblaku i sile, z jaką rzucasz, na podstawie tego, jak wysoko odbija się kula do kręgli w kontakcie”.

Jeśli chodzi o ciemną materię, każda informacja jest dobrą informacją. Nikt nie wie, co to naprawdę jest. Prawie 100 lat temu fizycy zdali sobie sprawę, że wszechświat nie mógłby zachowywać się tak, jak się zachowywał, gdyby zawierał tylko to, co możemy zobaczyć.

„Pływamy w morzu ciemnej materii” – powiedział Jason Newby, szef Neutrino Research Group w Oak Ridge National Laboratory i współautor badania. Fizycy są zgodni co do tego, że ciemna materia stanowi 85% masy wszechświata. Musi podlegać grawitacji, aby wyjaśnić zachowanie wszechświata, ale nie oddziałuje z żadnym rodzajem światła ani fal elektromagnetycznych i wydaje się ciemny.

Jason Newby i współautor Yuri Efremenko noszą bardzo mały detektor neutrin jodku cezu o masie 14,6 kg, używany do poszukiwania ciemnej materii w Neutrino Alley. Źródło: Genevieve Martin/Oak Ridge National Laboratory, Departament Energii Stanów Zjednoczonych

„Dowiedzieliśmy się tego, patrząc na duże galaktyki krążące wokół siebie i zobaczyliśmy, że obracają się znacznie szybciej niż powinny, co oznacza, że ​​mają większą masę, niż się wydaje” – powiedział Birchi. „Więc wiemy, że istnieją dodatkowe rzeczy, musimy tylko wiedzieć, gdzie ich szukać”.

„Chociaż przez większość czasu nie osiągamy rezultatów, naprawdę ważne jest, aby szukać wszędzie, a następnie wykluczyć całą liczbę możliwości i skupić się na nowym obszarze ze strategią, zamiast po prostu używać„ spaghetti na ścianie podejście”, powiedział Newby.

Daniela Berchi. Źródło: Duke University

„Rozszerzamy nasz zasięg na wszelkie modele, które mogą istnieć dla ciemnej materii, a to jest bardzo potężne” – powiedział Schulberg.

Osiągnięcie nie kończy się na tym, zauważa: Eksperyment pozwolił również zespołowi poszerzyć globalne poszukiwania ciemnej materii w nowy sposób.

„Typową techniką wykrywania jest zejście pod ziemię, zbudowanie bardzo czułego detektora i czekanie, aż przejdą cząstki ciemnej materii” – powiedział Berchi.

problem? Cząstki ciemnej materii mogą podróżować cicho w powietrzu. Jeśli jest również bardzo lekki, może nie dotrzeć do detektora z wystarczającą mocą, aby utworzyć wykrywalny odcisk palca.

Konfiguracja eksperymentalna zespołu COHERENT rozwiązuje ten problem.

„Kiedy wchodzisz do akceleratora, wytwarzasz te cząstki o znacznie wyższej energii” – powiedział Berchi. To im wiele daje powaga uderzyć w rdzenie i pokazać sygnał ciemnej materii. „

Co teraz? To nie jest powrót do deski kreślarskiej. Neutrino Alley przygotowuje się obecnie do odbioru większego, bardziej czułego detektora, co w połączeniu z udoskonalonymi kryteriami wyszukiwania COHERENT znacznie zwiększy szanse na złapanie jednej z tych diabelskich cząstek.

„Jesteśmy u progu miejsca, w którym powinna znajdować się ciemna materia” – powiedział Birchi.

Odniesienie: „Pierwsza sonda ciemnej materii Sub-GeV poza przewidywaniami kosmologicznymi przy użyciu detektora COHERENT CsI w SNS” autorstwa D. Akimowa i in. 3 lutego 2023 r Fizyczne listy przeglądowe.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803