นักล่าเรื่องมืดกำลังมองหาก้อนหินเพื่อหาเบาะแสใหม่


ในเกือบสอง ห้องปฏิบัติการใต้ดินโหลที่กระจัดกระจายไปทั่วโลกโดยใช้ถังของเหลวหรือบล็อกของโลหะและเซมิคอนดักเตอร์นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาหลักฐานของสสารมืด การทดลองของพวกเขามีความซับซ้อนมากขึ้นและการค้นหามีความแม่นยำมากขึ้น แต่นอกเหนือจากสัญญาณที่มีการโต้แย้งมากมายที่มาจากห้องทดลองในอิตาลีไม่มีใครพบหลักฐานที่ชัดเจนเกี่ยวกับวัสดุลึกลับที่คิดว่าทำขึ้นร้อยละ 84 ของเรื่อง ในจักรวาล

การศึกษาใหม่ชี้ให้เห็นว่าเราควรมองลึกลงไป

นิตยสาร Quanta


แต่งรูป

เกี่ยวกับ

เรื่องดั้งเดิมพิมพ์ซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก Quanta Magazine สิ่งพิมพ์อิสระของมูลนิธิ Simons ซึ่งมีภารกิจคือการเพิ่มความเข้าใจของสาธารณชนด้านวิทยาศาสตร์โดยครอบคลุมการพัฒนางานวิจัยและแนวโน้มในวิชาคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์กายภาพและวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต

สสารมืดนั้นแตกต่างจากสสารธรรมดาที่มีแบริออนซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้ดาวกาแลคซีสุนัขมนุษย์และทุกอย่างอื่นซึ่งมันไม่ได้มีปฏิสัมพันธ์กับอะไรเลยยกเว้นผ่านแรงโน้มถ่วง (และอาจเป็นพลังนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ) เรามองไม่เห็น แต่นักฟิสิกส์ล้วน แต่มีอยู่จริงที่นั่นกาแลคซีกาแลคซีและเส้นทางผ่านจักรวาล

ผู้สมัครที่ได้รับความนิยมสำหรับอนุภาคสสารมืดเป็นเวลานานหลายสิบปีที่มีสิ่งขี้อายที่เรียกว่าการมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคขนาดใหญ่อย่างอ่อนแอหรือ WIMPs การทดลองจำนวนมากค้นหาพวกเขาโดยค้นหาหลักฐานที่แสดงว่า WIMP ได้เข้ามาและเคาะเรื่องปกติรอบ ๆ ในสถานการณ์นี้ WIMP จะเคาะนิวเคลียสของอะตอมผ่านแรงที่อ่อนแอ นิวเคลียสที่ตื่นแล้วจะหดตัวและปล่อยพลังงานบางรูปแบบเช่นแสงแฟลชหรือคลื่นเสียง การตรวจจับปรากฏการณ์ที่แทบจะมองไม่เห็นนั้นต้องใช้เครื่องมือที่มีความละเอียดอ่อนโดยปกติฝังอยู่ใต้ดินลึก นี่คือส่วนใหญ่เพื่อให้เครื่องมือที่มีการป้องกันจากรังสีคอสมิคเอาแต่ใจซึ่งยังสามารถทำให้เกิดนิวเคลียสถอยกลับ

หลังจากค้นหาปิงจาง ๆ เหล่านี้มานานหลายทศวรรษนักวิทยาศาสตร์มีหลักฐานยากเล็กน้อยที่จะแสดงให้เห็น ตอนนี้ทีมนักฟิสิกส์ในโปแลนด์สวีเดนและสหรัฐอเมริกามีความคิดอื่น อย่ามองไปที่เจอร์เมเนียมและซีนอนและเครื่องส่องประกายในเครื่องตรวจจับที่ฝังอยู่ใต้เปลือกโลกพวกเขาโต้แย้ง: มองไปที่เปลือกโลกของดาวเคราะห์ ในบันทึกหินที่เรื่องราวในอดีตของระบบสุริยะของเราถูกฝังอยู่เราอาจพบการหดตัวของซากดึกดำบรรพ์ของนิวเคลียสอะตอมที่สะดุ้งตกใจเป็นรอยเท้าแช่แข็งของ WIMP

“ เรามักจะหาทางเลือกในการทำสิ่งต่าง ๆ อยู่เสมอ” Katherine Freese นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจาก University of Michigan และสถาปนิกของแนวคิดที่อยู่เบื้องหลังเครื่องมือตรวจจับที่มีอยู่บางตัวกล่าว

Katherine Freese ได้พัฒนาแนวคิดจำนวนมากสำหรับเครื่องตรวจจับสสารมืด ความคิดบางส่วนของเธอถูกเปลี่ยนเป็นการทดลอง

เครื่องตรวจจับ paleo ใต้ดินจะทำงานในลักษณะที่คล้ายกับวิธีตรวจจับโดยตรงในปัจจุบันตาม Freese และเพื่อนร่วมงานของเธอ แทนที่จะใช้ห้องปฏิบัติการที่มีของเหลวหรือโลหะเป็นจำนวนมากเพื่อสังเกต WIMP จะถอยกลับในเวลาจริงพวกเขาจะมองหาร่องรอยฟอสซิลของ WIMP ที่ต่อสู้กับนิวเคลียสของอะตอม เมื่อนิวเคลียสหดตัวพวกเขาจะทิ้งร่องรอยความเสียหายไว้ในแร่ธาตุบางประเภท
ถ้านิวเคลียสกลับมามีความแข็งแรงเพียงพอและหากอะตอมที่ถูกตกอกตกใจถูกฝังอยู่ลึกลงไปในโลก (เพื่อป้องกันตัวอย่างจากรังสีคอสมิกที่ทำให้โคลนข้อมูล) สามารถติดตามการหดตัวได้ ถ้าเป็นเช่นนั้นนักวิจัยอาจขุดหินขึ้นลอกชั้นเวลาและสำรวจเหตุการณ์ที่ผ่านมานานโดยใช้เทคนิคการถ่ายภาพนาโนที่ซับซ้อนเช่นกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมมิก ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นเส้นทางฟอสซิลซึ่งเป็นสสารมืดในการค้นหารอยเท้าของโซโรพอดในขณะที่มันหลบหนีนักล่า

Tiny Taps

ประมาณห้าปีที่แล้ว Freese เริ่มต้นคิดใหม่สำหรับเครื่องตรวจจับชนิดใหม่กับ Andrzej Drukier นักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยสตอกโฮล์มซึ่งเริ่มอาชีพการศึกษาการตรวจจับสสารมืดก่อนที่จะหมุนไปสู่ชีวฟิสิกส์ หนึ่งในความคิดของพวกเขาคิดค้นขึ้นพร้อมกับนักชีววิทยาจอร์จคริสตจักรที่เกี่ยวข้องกับเครื่องตรวจจับสสารมืดจากปฏิกิริยาของดีเอ็นเอและเอนไซม์

ในปี 2558 Drukier ได้เดินทางไปยังโนโวซีบีร์สค์ประเทศรัสเซียเพื่อทำงานกับเครื่องตรวจจับทางชีวภาพต้นแบบเพื่อตั้งอยู่ใต้พื้นผิวโลก ในรัสเซียเขาได้เรียนรู้การเจาะรูในช่วงสงครามเย็นซึ่งบางช่วงลงไปถึง 12 กิโลเมตร ไม่มีรังสีคอสมิคที่สามารถเจาะทะลุได้ Drukier รู้สึกทึ่ง

เครื่องตรวจจับสสารมืดทั่วไปมีขนาดค่อนข้างใหญ่และมีความไวสูงต่อเหตุการณ์ฉับพลัน พวกเขาทำการค้นหาเป็นเวลาหลายปี แต่ส่วนใหญ่พวกเขากำลังมองหาก๊อก WIMP แบบเรียลไทม์ แร่ธาตุในขณะที่มีขนาดค่อนข้างเล็กและไวต่อการตอบสนองต่อ WIMP อาจเป็นตัวแทนของการค้นหาที่ดำเนินต่อไปหลายร้อยล้านปี

“ ก้อนหินเหล่านี้ซึ่งแยกออกจากแกนที่ลึกมาก ๆ จริงๆแล้วมีอายุนับพันล้านปี” Drukier กล่าว “ ยิ่งคุณไปมากเท่าไหร่ก็ยิ่งมีอายุมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นทันใดนั้นคุณไม่จำเป็นต้องสร้างเครื่องตรวจจับ คุณมีเครื่องตรวจจับอยู่บนพื้นดิน”

โลกก่อปัญหาของตัวเอง โลกนี้เต็มไปด้วยยูเรเนียมกัมมันตรังสีซึ่งผลิตนิวตรอนเมื่อมันสลายตัว นิวตรอนเหล่านั้นยังสามารถทำให้เกิดนิวเคลียสได้ Freese กล่าวว่าเอกสารเริ่มต้นของทีมที่อธิบายเกี่ยวกับเครื่องตรวจจับ paleo ไม่ได้เกี่ยวข้องกับเสียงที่เกิดจากการสลายตัวของยูเรเนียม แต่มีการแสดงความคิดเห็นเล็กน้อยจากนักวิทยาศาสตร์ที่สนใจคนอื่น ๆ ทำให้พวกเขากลับไปแก้ไข ทีมใช้เวลาสองเดือนในการศึกษาแร่ธาตุนับพันเพื่อทำความเข้าใจว่าแร่ใดถูกแยกออกจากการสลายตัวของยูเรเนียม พวกเขาอ้างว่าเครื่องตรวจจับ paleo ที่ดีที่สุดจะประกอบด้วย evaporites ทางทะเล – โดยทั่วไปเกลือของหิน – หรือในหินที่มีซิลิกาน้อยมากซึ่งเรียกว่าหิน ultrabasic นอกจากนี้พวกเขามองหาแร่ธาตุที่มีไฮโดรเจนเป็นจำนวนมากเนื่องจากไฮโดรเจนปิดกั้นนิวตรอนที่มีประสิทธิภาพซึ่งมาจากการสลายตัวของยูเรเนียม

Halite หรือที่เรียกกันทั่วไปว่าเกลือสินเธาว์เป็นหินที่บางมากอาจใช้เป็นเครื่องตรวจจับสสารมืด

การค้นหาซากดึกดำบรรพ์อาจเป็นวิธีที่ดีในการค้นหา WIMPs มวลต่ำ Tracy Slatyer นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจาก Massachusetts Institute of Technology กล่าวซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัยกล่าว

“ คุณกำลังมองหานิวเคลียสที่กระโดดโดยไม่มีเหตุผล แต่ดูเหมือนจะต้องกระโดดด้วยจำนวนที่แน่นอนเพื่อให้คุณเห็น ถ้าฉันตีกลับลูกปิงปองออกจากลูกโบว์ลิ่งเราจะไม่เห็นลูกโบว์ลิ่งเคลื่อนไหวมาก – หรือคุณควรที่จะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในการเคลื่อนที่ของลูกโบว์ลิ่งของคุณ "เธอกล่าว . “ นี่เป็นวิธีใหม่ในการทำเช่นนั้น”

การทดลองที่ยากที่สุด

งานภาคสนามที่เกี่ยวข้องจะไม่ใช่เรื่องง่าย การวิจัยจะต้องเกิดขึ้นใต้ดินลึกซึ่งตัวอย่างแกนกลางจะได้รับการปกป้องจากรังสีคอสมิกและแสงอาทิตย์ และนาโน – อิมเมจจิ้งจะต้องมีการพิสูจน์หลักฐานของการสะกิดนิวเคลียส
แม้ว่า WIMPs จะออกจากแผลเป็นที่สังเกตได้ แต่ความกังวลหลักสำหรับเครื่องตรวจจับ paleo จะทำให้มั่นใจได้ว่าร่องรอยของฟอสซิลนั้นมาจากอนุภาคสสารมืดจริง ๆ นักวิจัยจะต้องใช้เวลามากในการโน้มน้าวใจตัวเองว่า Recoils ไม่ใช่งานของนิวตรอนนิวตรอนจากดวงอาทิตย์หรืออย่างอื่นเธอกล่าว

“ พวกมันสร้างกรณีที่ดีที่คุณสามารถป้องกันได้ลึกจากรังสีคอสมิค” เธอกล่าว“ แต่นี่ไม่ใช่ระบบควบคุม นี่ไม่ใช่แล็บ คุณอาจไม่ทราบประวัติความเป็นมาของหินเหล่านี้เป็นอย่างดี แม้ว่าคุณจะอ้างสิทธิ์สัญญาณจากสัญญาณคุณจะต้องทำงานอีกมากเพื่อให้มั่นใจว่าคุณไม่เห็นพื้นหลังบางประเภท”

Drukier และ Freese ต่างก็กล่าวว่าพละกำลังของเครื่องตรวจจับ paleo อาจมีจำนวนมาก หินประกอบด้วยแร่ธาตุมากมายแต่ละชนิดมีนิวเคลียสของอะตอมที่จะหดตัวจากการสั่นสะเทือนของคลื่นในรูปแบบที่แตกต่างกัน องค์ประกอบที่แตกต่างกันจะทำหน้าที่เป็นเครื่องตรวจจับที่แตกต่างกันทั้งหมดรวมอยู่ในตัวอย่างแกนเดียว สิ่งนี้จะช่วยให้นักทดลองใช้เพื่อดูสเปคตรัมของหลักฐานยืนยันหลักฐานของพวกเขาและอาจทำให้พวกเขาสามารถหาข้อสรุปเกี่ยวกับมวล WIMP Freese กล่าว ในอนาคตเครื่อง paleo-detector สามารถให้บันทึก WIMP เมื่อเวลาผ่านไปเช่นเดียวกับบันทึกซากดึกดำบรรพ์ที่ทำให้นักบรรพชีวินวิทยาสามารถสร้างประวัติศาสตร์ชีวิตบนโลกใบนี้ได้

สำหรับ Slatyer การบันทึกที่ยาวนานสามารถเสนอการสำรวจที่เป็นเอกลักษณ์ของฮาโลสสารมืดของทางช้างเผือกซึ่งเป็นเมฆของวัสดุที่มองไม่เห็นที่โลกหมุนผ่านเนื่องจากระบบสุริยะทำให้วงโคจร 250 ล้านปีรอบใจกลางกาแลคซี การทำความเข้าใจว่าการกระจายสสารมืดของทางช้างเผือกสามารถนำเสนอข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับพฤติกรรมทางกายภาพของมันได้อย่างไร Slatyer กล่าว มันอาจแสดงให้เห็นว่าสสารมืดมีปฏิสัมพันธ์กับตัวมันเองในวิธีที่เหนือกว่าแรงโน้มถ่วงหรือไม่

“ นี่เป็นสถานที่ซึ่งทฤษฏีและการสร้างแบบจำลองยังอยู่ในการพัฒนาที่แข็งขัน” เธอกล่าว

นั่นยังห่างไกลจากความเป็นจริง Freese และ Drukier กล่าวว่าเครื่องตรวจจับ paleo ที่ใช้หลักการพิสูจน์ได้จะต้องแสดงให้เห็นว่ามันสามารถหาร่องรอยการหดตัวจากอนุภาคที่รู้จักเช่น neutrinos สุริยะ จากนั้นพวกเขาต้องพิสูจน์ว่าพวกเขาสามารถแยกเส้นทาง WIMP ออกจาก Recoils ทั่วไปเหล่านี้ได้

“ มันเป็นการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในมุมมอง” Drukier กล่าว “ เราจะพบสสารมืดหรือไม่? ฉันใช้เวลา 35 ปีค้นหามัน นี่อาจเป็นการทดลองที่ยากที่สุดในโลกดังนั้นเราอาจไม่โชคดี แต่มันยอดเยี่ยม”

เรื่องดั้งเดิมพิมพ์ซ้ำโดยได้รับอนุญาตจาก Quanta Magazine สิ่งพิมพ์อิสระของมูลนิธิ Simons ซึ่งมีภารกิจคือการเพิ่มความเข้าใจของสาธารณชนด้านวิทยาศาสตร์โดยครอบคลุมการพัฒนางานวิจัยและแนวโน้มในวิชาคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์กายภาพและวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต


เรื่องราวยิ่งใหญ่มากขึ้น WIRED