Hon na temnou hmotu v trezoru v Neutrino Alley

Vědci z Oak Ridge National Laboratory se pokusili pozorovat temnou hmotu v jasně osvětlené suterénní chodbě pomocí citlivosti svých neutrinových detektorů. Neutrinová ulička, kde tým pracuje, se nachází pod Spallation Neutron Source, výkonným urychlovačem částic. Po letech teoretických výpočtů se tým COHERENT pustil do pozorování temné hmoty, o níž se předpokládá, že tvoří až 85 % hmoty vesmíru. Experiment umožnil týmu rozšířit globální hledání temné hmoty novým způsobem a plánují získat větší, citlivější detektor, aby se zlepšily jejich šance na zachycení částic temné hmoty.

Jen málo věcí v sobě nese stejnou auru tajemna jako temná hmota. Samotný název vyzařuje tajemství a naznačuje něco skrytého ve stínech vesmíru.

Svolal tým spolupracujících vědců koherentnívčetně Kate Schulbergové, významné profesorky fyziky umění a věd, Philipa Barbeaua, docenta fyziky a postdoktorského výzkumníka Daniela Berchieho, se pokusili vynést temnou hmotu ze stínů vesmíru na méně okouzlující místo: jasně osvětlenou , stísněná sklepní chodba.

Ne však obyčejný sklep. Tým pracující v oblasti Oak Ridge National Laboratory přezdívané Neutrino Alley se obvykle zaměřuje na subatomární částice zvané neutrina. Vznikají, když hvězdy zemřou a stanou se supernovami, nebo na úrovni blíže k Zemi, jako vedlejší produkt srážky protonů v urychlovačích částic.

Ne náhodou se Neutrino Alley nachází přímo pod jedním z nejvýkonnějších urychlovačů částic na světě, Oak Ridge’s. Spalační neutronový zdroj (SNS). Neutrinová ulička obsahuje sbírku detektorů speciálně navržených k monitorování neutrin, když procházejí kolem a srážejí se s nimi.

Neutrina však nejsou jediným vedlejším produktem procesů SNS. Temná hmota (nezaměňovat s oblíbenou antihmotou padoucha) je také produkována, když urychlovače částic rozbíjejí protony dohromady. Po letech teoretických výpočtů se tým COHERENT rozhodl využít sílu SNS a citlivost jejich neutrinových detektorů k monitorování temné hmoty v Neutrinové uličce.

„A to jsme neviděli,“ říká Schulberg. „Samozřejmě, kdybychom to viděli, bylo by to vzrušující, ale nevidět to je ve skutečnosti velký problém.“

Vysvětlila, že skutečnost, že temná hmota nebyla detekována jejími detektory neutrin, jí umožňuje vylepšit teoretické modely toho, jak temná hmota vypadá.

„Víme přesně, jak by detektor temné hmoty reagoval, kdyby temná hmota měla určité vlastnosti, takže jsme hledali tento specifický podpis.“

Dotyčný otisk je způsob, jakým se jádra atomů v detektoru neutrin odrazí, když narazí na neutrino, nebo v tomto případě na částici temné hmoty.

„Je to jako házet projektily na bowlingovou kouli na kus ledu,“ řekl Berchie. Bowlingové koule jsou v jeho analogii atomy v detektoru neutrin – což byl v tomto experimentu krystal jodidu cesia o hmotnosti 14,6 kg. „O praku a síle, kterou hodíte, můžete hodně říct podle toho, jak vysoko se bowlingová koule odrazí při kontaktu.“

Pokud jde o temnou hmotu, každá informace je dobrá informace. Nikdo neví, co to vlastně je. Téměř před 100 lety si fyzici uvědomili, že vesmír by se nemohl chovat tak, jak se choval, kdyby vše, co obsahuje, byly věci, které můžeme vidět.

„Plujeme v moři temné hmoty,“ řekl Jason Newby, vedoucí výzkumné skupiny neutrin v Oak Ridge National Laboratory a spoluautor studie. Fyzikové se shodují, že temná hmota tvoří 85 % hmoty vesmíru. Musí podléhat gravitaci, aby vysvětlilo chování vesmíru, ale neinteraguje s žádným druhem světla nebo elektromagnetických vln a zdá se být tmavé.

„Naučili jsme se to při pohledu na velké galaxie, které obíhají kolem sebe, a viděli jsme, že rotují mnohem rychleji, než by měly, což znamená, že mají větší hmotnost, než se zdají být,“ řekl Birchi. „Takže víme, že tam jsou další věci, jen potřebujeme vědět, kde je hledat.“

„I když většinou nedosahujeme výsledků, je opravdu důležité, abyste se podívali všude a pak mohli vyloučit celou řadu možností a zaměřit se na novou oblast se strategií, spíše než jen používat „špagety na zdi“. „Přistupte,“ řekl Newby.

„Rozšiřujeme náš dosah na všechny modely, které by mohly existovat pro temnou hmotu, a to je velmi silné,“ řekl Schulberg.

A úspěch tím nekončí, poznamenává: Experiment také umožnil týmu rozšířit globální hledání temné hmoty novým způsobem.

„Typickou detekční technikou je jít do podzemí, postavit velmi citlivý detektor a počkat, až částice temné hmoty projdou kolem,“ řekl Berchi.

problém? Částice temné hmoty mohou tiše cestovat vzduchem. Pokud je navíc velmi lehký, nemusí se dostat k detektoru s dostatečným výkonem, aby vytvořil detekovatelný otisk prstu.

Experimentální nastavení týmu COHERENT tento problém řeší.

„Když vstoupíte do urychlovače, produkujete tyto částice s výrazně vyšší energií,“ řekl Berchi. To jim dává hodně gravitace zasáhnout jádra a ukázat signál temné hmoty. „

Takže co teď? Není to úplně zpátky na rýsovacím prkně. Neutrino Alley se v současné době připravuje na přijetí většího, citlivějšího detektoru, který v kombinaci s rafinovanými vyhledávacími kritérii COHERENT výrazně zlepší šance na zachycení jedné z těchto ďábelských částic.

„Jsme na prahu, kde musí být temná hmota,“ řekl Birchi.

Odkaz: „První sonda temné hmoty Sub-GeV za kosmologickými předpovědi pomocí COHERENT CsI detektoru v SNS“ od D. Akimova a kol. 3. února 2023 Fyzické kontrolní dopisy.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803