Chytanie temnej hmoty v pivnici v Neutrínovej uličke

Vedci z Národného laboratória Oak Ridge sa pokúšajú pozorovať temnú hmotu v jasne osvetlenej chodbe v suteréne pomocou citlivosti svojich neutrínových detektorov. Neutrínová ulička, kde tím pracuje, leží pod Spallation Neutron Source, výkonným urýchľovačom častíc. Po rokoch teoretických výpočtov sa tím COHERENT pustil do pozorovania temnej hmoty, o ktorej sa predpokladá, že tvorí až 85 % hmoty vesmíru. Experiment umožnil tímu rozšíriť celosvetové hľadanie temnej hmoty novým spôsobom a plánujú získať oveľa väčší a citlivejší detektor, aby zvýšili svoje šance na zachytenie častíc temnej hmoty.

Len málo vecí nesie rovnakú auru tajomstva ako temná hmota. Už samotný názov vyžaruje tajomstvo, naznačuje niečo skryté v tieni vesmíru.

Bol privolaný tím vedcov kompatibilnéVrátane Kate Sholbergovej, významnej profesorky fyziky umení a vied, Philipa Barbeaua, docenta fyziky, a postdoktorandského vedca Daniela Persea, sa snažia dostať temnú hmotu z tieňa vesmíru do trochu menej očarujúceho cieľa: Jasné svetlá, úzka chodba v suteréne.

Neexistuje však normálny suterén. Pri práci v oblasti Oak Ridge National Laboratory prezývanej Neutrino Alley sa tím zameral na subatomárne častice bežne nazývané neutrína. Vznikajú, keď hviezdy zomierajú a stávajú sa supernovami, alebo na nižšej úrovni ako vedľajší produkt zrážok protónov v urýchľovačoch častíc.

Temná hmota, neviditeľná látka, ktorá tvorí 85 % hmoty vo vesmíre, nie je ukrytá len medzi galaxiami. Tím vedcov sa ho snaží dostať zo šoku. Poďakovanie: Röntgen: NASA/CXO/Fabian et al.; Rádio: Gendron-Marsoulis a kol.; NRAO/AUI/NSF Optické: NASA, SDSS

Nie náhodou sa Neutrino Alley nachádza priamo pod Oak Ridge, jedným z najvýkonnejších urýchľovačov častíc na svete. Spallačný zdroj neutrónov (SNS), Neutrínová alej pozostáva zo súboru detektorov špeciálne navrhnutých na pozorovanie neutrín pri ich prechode a zrážke s neutrínami.

Neutrína však nie sú jediným vedľajším produktom fungovania SNS. Temná hmota (nemýliť si s obľúbenou antihmotou darebáka) vzniká aj vtedy, keď urýchľovače častíc zrážajú protóny dohromady. Po rokoch teoretických výpočtov sa tím Coherent rozhodol využiť silu SNS a citlivosť ich neutrínových detektorov na pozorovanie temnej hmoty v neutrínovej uličke.

„A my sme to nevideli,“ hovorí Sholberg. „Samozrejme, keby sme to videli, bolo by to vzrušujúcejšie, ale nevidieť to je naozaj veľká vec.“

Vysvetľuje, že skutočnosť, že tmavá hmota nebola detegovaná ich neutrínovými detektormi, im umožnila výrazne spresniť ich teoretické modely toho, ako tmavá hmota vyzerá.

„Vieme, ako bude detektor reagovať na temnú hmotu, ak má určité vlastnosti, takže sme hľadali tento špecifický odtlačok prsta.“

Kate Sholberg, spoluscenáristi Grayson Rich a Philip Barbeau. Kredit: Long Li / Duke University

Ide o spôsob, akým sa jadrá atómov v detektore neutrín odpudzujú, keď ich zasiahne neutrino, alebo v tomto prípade častica tmavej hmoty.

„Je to ako hádzať projektil do bowlingovej gule na ľade,“ povedal Perse. Bowlingové gule sú v ich analógii atómy obsiahnuté v neutrínovom detektore, ktorým bol v tomto experimente 14,6-kilogramový kryštál jodidu cézneho. „O projektile a sile, s akou bol hodený, môžete veľa povedať podľa toho, o koľko sa bowlingová guľa odrazí pri kontakte.“

Pokiaľ ide o temnú hmotu, každá informácia je dobrá informácia. Nikto vlastne nevie, čo to je. Asi pred 100 rokmi si fyzici uvedomili, že vesmír sa nemôže správať tak, ako sa správa, ak by obsahoval všetko, čo môžeme vidieť.

„Plávame v mori temnej hmoty,“ povedal Jason Newby, vedúci skupiny pre výskum neutrín v Oak Ridge National Lab a spoluautor štúdie. Všeobecný konsenzus medzi fyzikmi je, že temná hmota tvorí 85 % hmoty vesmíru. Musí podliehať gravitácii, aby sa vysvetlilo správanie vesmíru, ale neinteraguje so žiadnou formou svetla alebo elektromagnetických vĺn, ktoré sa javia ako tmavé.

Jason Newby a spoluautor Yuri Efremenko použili pozoruhodne malý 14,6 kg neutrínový detektor jodidu cézneho, ktorý sa používa na hľadanie tmavej hmoty v Neutrínovej uličke. Poďakovanie: Genevieve Martin/Oak Ridge National Laboratory, Ministerstvo energetiky USA

„Dozvedeli sme sa o tom pozorovaním veľkých galaxií, ktoré obiehajú okolo seba, pričom sme si všimli, že rotujú rýchlejšie, ako sa zdá, čo znamená, že majú väčšiu hmotnosť, ako sa zdá.“ Je tam viac hmoty,“ povedal Perse. „Takže vieme, že sú tam veci navyše, len sa musíme naučiť, kde ich hľadať.“

„Aj keď sme väčšinou v oblasti bez výsledkov,“ povedal Newby, „je naozaj dôležité pozerať sa všade, kam sa pozriete, a potom môžete vylúčiť všetky možnosti a prísť so stratégiou.“ Dokáže sa sústrediť na nový oblasť. Namiesto toho, aby ste použili prístup „špagety na stene“.

Daniel Perse. Kredit: Duke University

„Rozširujeme svoj dosah, aby sme zistili, aké modely pre temnú hmotu môžu existovať, a to je veľmi silné,“ povedal Scholberg.

Úspech sa tým nekončí, zdôrazňuje: Experiment tiež umožnil tímu rozšíriť celosvetové hľadanie temnej hmoty novým spôsobom.

„Typickou detekčnou technikou je ísť do podzemia, postaviť veľmi citlivý detektor a počkať, kým tieto častice temnej hmoty prejdú,“ povedal Perse.

problém? Častice tmavej hmoty sa môžu vo vzduchu pohybovať celkom pokojne. Ak sú príliš ľahké, nemusia sa dostať k detektoru s dostatočnou energiou na vytvorenie detekovateľného odtlačku prsta.

Experimentálne nastavenie COHERENT Team rieši tento problém.

„Keď idete do urýchľovača, generujete tieto častice pri pomerne vysokých energiách,“ povedal Perse. „A dáva im to oveľa viac oomph Zaklopať do jadra a odhaliť signál temnej hmoty.

Tak čo teraz? Nie je to celkom späť na rysovaciu dosku. Neutrino Alley sa v súčasnosti pripravuje na získanie oveľa väčšieho a citlivejšieho detektora, ktorý v kombinácii s prepracovanými parametrami vyhľadávania COHERENT výrazne zlepší šance na zachytenie jednej z týchto diabolských častíc.

„Sme pri dverách, kde by mala byť temná hmota,“ povedal Perse.

Odkaz: „Prvá detekcia sub-GeV temnej hmoty za hranicou kozmologického očakávania pomocou koherentného CSI detektora v SNS“ od D. Akimova a kol., 3. februára 2023, fyzický recenzný papier,
DOI: 10.1103/fitzrevelet.130.051803