Die Suche nach dunkler Materie ist faszinierend. Es ist im wahrsten Sinne des Wortes eine Kugel im Dunkeln. Obwohl sich Wissenschaftler dessen sicher sind Dunkle Materie Es existiert – da die gesamte normale Materie im Universum einfach nicht erklären kann, wie Galaxien zusammenhalten – wissen sie nicht, was es ist. Sie wissen auch nicht wirklich, wo er ist (obwohl sie einige Ideen haben). Sie wissen sicherlich nicht, wie es aussieht.
Die Physiker sind jedoch bestrebt, diese schwer fassbaren Teilchen zu untersuchen, da die dunkle Seite unseres Universums besorgniserregende 95 % unseres Universums ausmacht, wenn man sie berücksichtigt dunkle Energiedie unsichtbare Kraft, die die Ausdehnung des Weltraums beschleunigt.
Aber wie analysiert man etwas, ohne wirklich zu wissen, was man analysieren soll? Nun, es gibt einen Weg. Obwohl wir noch nicht wissen, was Dunkle Materie ist, können Wissenschaftler langsam herausfinden, was sie nicht ist.
Genau das haben mehrere Forscher, die sich dieser Forschung widmen, kürzlich getan, indem sie Daten durchgesehen haben, die von einem Detektor erfasst wurden, der tief in einer Mine in Minnesota vergraben war. Obwohl sie keine Hinweise auf dunkle Materie gefunden haben, sagen sie, dass sie eine der engsten Grenzen gesetzt haben, die es je gab, um dieses Phänomen eines Tages zu entdecken. hatten einen vollständigen Überblick über ihre Ergebnisse veröffentlicht Im Juni in Physical Review D.
„In der Wissenschaft dreht sich alles um die Denkweise, bei der ein Nullergebnis genauso wirkungsvoll sein kann wie ein positives“, sagte Daniel Jardine, Co-Autor der Studie und Postdoktorand an der Northwestern University, gegenüber Space.com. „Natürlich war es cool, Dunkle Materie zu finden, aber wir konnten einen neuen Ausschnitt aus dem Parameterraum der Dunklen Materie herausschneiden.“
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Diese neuesten Entdeckungen stehen im Zusammenhang mit der Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS)-Kollaboration, der Jardin angehört.
Kurz gesagt kam das Team zu dem Schluss, dass der experimentelle SuperCDMS-Detektor nun Teilchen der Dunklen Materie ausschließen kann bis auf ca Etwa ein Fünftel der Masse eines Protons – und möglicherweise weniger Massen.
„Ich habe es immer geliebt, dem Unbekannten nachzujagen, und das hier ist das Größte, was es nur gibt“, sagte Jardine. „Ich bin sehr froh, dass meine Karriere mich hierher geführt hat, und wie kurz sie auch sein mag, ich kann immer sagen, dass dieses Ergebnis das beste der Welt war, bis andere Prüfungen unweigerlich aufholen.“
Moment, was ist SuperCDMS?
Um Beweise für Teilchen der Dunklen Materie zu sammeln, arbeitet die SuperCDMS-Kollaboration mit einem Experiment, das auch als SuperCDMS bezeichnet wird.
Dieses Experiment nutzt im Wesentlichen die Leistungsfähigkeit von Detektoren, die bestimmen können, ob und wann ein Teilchen der Dunklen Materie (was auch immer es ist) mit den Atomkernen der in den Detektoren selbst eingebetteten Materialien, insbesondere Germanium oder Silizium, kollidiert.
„Ich interessiere mich seit meiner Kindheit für den Weltraum, weil er alles auf der Erde so klein und unbedeutend erscheinen lässt“, sagte Jardine. „Dann erfuhr ich etwas über Dunkle Materie und konnte nicht glauben, dass alle Sterne, Galaxien und Dinge, die wir am Nachthimmel sehen, weniger als 5 % des Universums ausmachen.“
Um etwas technischer zu werden, kann SuperCDMS bestimmen, ob diese Teilchen der Dunklen Materie an sogenannten „elastischen Kollisionen“ beteiligt sind. Wenn dies der Fall wäre, würde die Energie, die das Teilchen der Dunklen Materie bei seinem Zerfall verliert, auf die Bewegung der betroffenen Atomkerne übertragen werden. Die beiden Bits werden wiederum zurückprallen.
Es wäre, als würden zwei Billardkugeln aufeinanderstoßen, nur um dann leicht nach hinten auf den Tisch zu springen, sagt der Co-Autor der Studie, Noah Korinsky, ein Wissenschaftler am SLAC National Accelerator Laboratory.
Aber hier ist die Sache.
SuperCDMS hat offenbar noch keine elastischen Kollisionen gefunden – laut Jardin hätten wir inzwischen davon gehört, weil eine solche Entdeckung wahrscheinlich einen Nobelpreis einbringen würde. Dieses Forscherteam, darunter Rob Calkins, ein wissenschaftlicher Assistenzprofessor an der Southern Methodist University, stellte jedoch eine interessante Frage.
Was passiert, wenn SuperCDMS eine andere Art von Kollision erkennt, nach der die ganze Zeit niemand gesucht hat? Insbesondere unelastische Kollisionen.
Angesichts dieser neuen Erkenntnisse waren sie definitiv auf der richtigen Spur.
„Die Suche nach elastischen Kollisionen bleibt ein wichtiger Treiber von SuperCDMS, aber die Untersuchung inelastischer Kollisionen hat einen Weg für einen Parameterraum der Dunklen Materie eröffnet, für den das Experiment zuvor unempfindlich war“, erklärte Jardine.
Es gibt zwei Möglichkeiten, wie eine mögliche Kollision inelastischer Dunkler Materie funktionieren könnte. Das erste hat nach Angaben des Teams mit etwas namens „ Bremsstrahlung. Wenn am Detektor eine solche inelastische Kollision auftreten würde, würde das Teilchen der Dunklen Materie einen Teil seiner Energie auf ein Lichtteilchen oder Photon übertragen, anstatt einfach abzuprallen, wie im Beispiel mit der Billardkugel.
Allerdings kann es andererseits auch zu einer unelastischen Kollision durch etwas namens kommen Midgall-Effekt. Wenn es zu dieser Freisetzung käme, würde ein auf den Kern treffendes Dunkle-Materie-Teilchen dazu führen, dass der Kern selbst aus seiner Position geschleudert würde, was die Verteilung der Elektronenwolke durcheinander bringen würde. Bei der Rückkehr an ihren ursprünglichen Platz werden einige dieser fließenden Elektronen ausgestoßen.
Auch wenn die Gefahr einer allzu starken Vereinfachung besteht, bedeutet dies, dass das Team nach SuperCDMS-Signalen entweder eines fliegenden Photons oder eines einzelnen elektronischen Hardcore suchte.
„Es war nicht so einfach wie das Zählen“, bemerkte Jardine. „Bei dieser Analyse wurden Spektralformen verwendet, um das Leistungsprofil des Signals sowie mehrere bekannte Hintergrundquellen zu modellieren.“
Und nach all dem blieb die Suche erfolglos – aber die Geschichte war damit noch nicht zu Ende.
Jardin fuhr fort: „Dann haben wir Statistiken verwendet, um die Frage zu beantworten: „Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass wir das Signal vor dem bekannten Hintergrund sehen werden?“ Diese Frage wird hunderttausende Male wiederholt und wir lassen den Parameterraum aus, in dem wir das Signal sehen sollten, aber nicht konnten.
Es gibt immer einen Silberstreif am Horizont
„Etwa eine Milliarde Teilchen dunkler Materie passieren uns jede Sekunde, aber sie interagieren so selten, dass man es nicht erkennen kann“, sagte Jardine. „Wir suchen nach einer 1:1-Milliarde-Milliarden-Milliarden-Milliarden-Interaktionsmöglichkeit.“
Obwohl dieses goldene Ticket nicht gefunden wurde, kamen andere Arten von Schätzen ans Licht.
Vor allem all diese statistischen Studien zu den SuperCDMS-Signalen lieferten dem Team letztendlich seine Schlussfolgerungen über mögliche Grenzwerte für niedrige Massen von Teilchen der Dunklen Materie.
„Ein weiteres Experiment mit dunkler Materie, das nicht so empfindlich auf die Masse dunkler Materie reagierte wie SuperCDMS für elastische Kollisionen, veröffentlichte eine ähnliche Analyse, die seine Reichweite erweiterte und das Spielfeld verflachte. Als wir das lasen, fragten wir uns, wie weit wir tiefer gehen könnten, wenn wir das nutzen würden.“ gleiche Methode“, sagte Jardine.
Darüber hinaus, so erklärte er, habe das Team „die Analyse noch weiter ausgebaut, etwa komplexere Statistiken und die Einbeziehung von Wechselwirkungen mit der Erde“.
Ja, die Erde
Vielleicht noch beeindruckender ist die Art und Weise, wie das Team all das berücksichtigt hat LandSeine Position im Raum kann diese Signale der Dunklen Materie beeinflussen.
Wie sie zeigen, interagiert dunkle Materie, wenn sie stark genug mit Dingen interagiert, wahrscheinlich mit buchstäblich allem, was ihr auf dem Weg zu unseren winzigen unterirdischen Erddetektoren in den Weg kommt. Eines der Dinge, die für eine Interaktion reif sind, ist die Atmosphäre unseres Planeten.
Das Team kam zu dem Schluss, dass, wenn ein Teilchen der Dunklen Materie mit unserer Atmosphäre interagiert hätte, dieser Planetenschild einen Teil der Energie des Teilchens aufgenommen hätte, wenn wir sein Signal empfangen hätten.
„Es wird angenommen, dass dunkle Materie in einer großen Kugel rund um die Galaxie mehr oder weniger allgegenwärtig ist“, sagte Jardine. Unser Sonnensystem befindet sich in einem Spiralarm Milchstraße Das heißt, die Erde dreht sich um die Sonne und die Erde dreht sich um ihre eigene Achse. Diese astronomische Bewegung bedeutet, dass die Erde durch ein Meer aus Teilchen der Dunklen Materie strömt, aber aus unserer Sicht scheinen Teilchen der Dunklen Materie die Erde und unsere Detektoren ständig zu bombardieren.“
Daher erkannten die Forscher, dass es wahrscheinlich eine obere Energiegrenze gibt, die diese interaktiven Teilchen der Dunklen Materie durchdringen können – sofern diese reaktiv sind.
Durch die Modellierung von Dingen wie der Dichte der Erdatmosphäre, die Zusammenarbeit mit Geologen, um herauszufinden, welche Gesteinsarten sich über der Minnesota-Mine befinden, in der SuperCDMS vergraben ist, und jede Menge anderer Variablen haben sie bereits die obere Energiegrenze der Dunklen Materie entdeckt.
„Wenn man eine Linie an einige Daten anpasst, gibt es zwei Parameter: Regression und Schnittpunkt“, sagte Jardine. „Bei dieser Analyse hatten wir mehr als 50 Eignungskriterien gleichzeitig.“
Was als nächstes kommt, sagt Jardine, dass diese Schlussfolgerung im Sherlock-Holmes-Stil weitergehen wird. Und wenn Ihnen irgendetwas davon in den Sinn kommt, legen Sie Wert auf eine visuelle Betrachtungsweise der Mannschaftsergebnisse, die alles ins rechte Licht rückt.
„Dieses Ergebnis – die schwarzen Linien – lässt einen neuen Parameterraum aus, auf den andere zuvor nicht zugegriffen haben, aber links gibt es viel mehr offenen Raum, weniger Blöcke nach oben und unten, was weniger Möglichkeiten zur Interaktion darstellt“, sagte er . Es wird immer schwieriger, diese zu untersuchen, aber Physiker der Dunklen Materie sind schlau.
Diese Jäger der Dunklen Materie haben sicherlich nach den Sternen gegriffen und es geschafft, sanft auf dem Mond zu landen.
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