Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Superczuły ADMX szuka ciemnej materii i wyklucza kolejne obszary jej występowania

Recommended Posts

ADMX, prowadzony w Fermilab superczuły eksperyment, w ramach którego poszukiwane są aksjony, wykluczył, że istnieją one w pewnych zakresach masy. Aksjony to hipotetyczne cząstki tworzące ciemną materię. Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) szuka ich sprawdzając, czy w silnym polu magnetycznym w skutek reakcji aksjonu ze znanymi cząstkami nie dojdzie do pojawienia się fotonu.

Gdy poszukuje się nieznanych cząstek, takich jak aksjon, bada się interakcje, których wynikiem są znane cząstki, jak fotony, mówi Rakshya Khatiwada, która przez ostatnie cztery lata była odpowiedzialna za eksperyment ADMX.

Wewnątrz ADMX znajduje się wnęka i nadprzewodzący magnes, który generuje silne pole magnetyczne. Teoria przewiduje, że w takich warunkach w niskiej temperaturze dochodzi do rozpadu aksjonu na 2 fotony z części mikrofalowej widma elektrycznego.Detektor można dostroić do różnych częstotliwości odpowiadających różnej masie aksjonów pochodzących z halo ciemnej materii otaczającej Drogę Mleczną.

Od 2017 roku ADMX jest najbardziej czułym eksperymentem tego typu. Jego twórcy mają nadzieję, że tak, jak udało się zarejestrować obecność neutrino, tak w końcu zarejestrujemy aksjony. Teraz poinformowano o wynikach badań przeprowadzonych w roku 2018. To bardzo cenne dane, gdyż zwiększają naszą pewność, iż aksjony nie występują w określonym zakresie energii, mówi Khatiwada. Analiza ubiegłorocznych danych wykazała, że masa aksjonów nie mieści się w przedziale od 2,66 milionowych do 3,33 milionowych elektronowolta. Dla porównania, masa elektronu to 511 000 elektronowoltów.

Obecnie w ramach ADMX badany jest zakres mas powyżej 3,33 milionowych elektronowolta. Eksperyment nie tylko wyklucza kolejne zakresy występowania aksjonów, ale też staje się coraz bardziej czuły, gdyż jego operatorzy coraz lepiej potrafią odfiltrować zakłócenia tła. To dość surrealistyczne zbudować i uruchomić jedyny w swoim rodzaju eksperyment na świecie. Ale olbrzymią radość sprawia nam fakt, że wiele osób, od studentów po profesorów, korzysta z wyników naszych prac, cieszy się Khatiwada.

W poprzedniej wersji ADMX, w której wykorzystywaliśmy wzmacniacze bazujące na tranzystorach, potrzebowalibyśmy setek lat by przeskanować częstotliwości, w którym mogą występować aksjony. Dzięki nowym nadprzewodzącym czujnikom możemy to zrobić w ciągu kilku lat, mówi Gianpaolo Carosi, rzecznik prasowy ADMS. Mamy odpowiednią czułość i szansą na odkrycie aksjonów. Nie potrzebujemy żadnej nowej technologii. Już nie potrzebujemy cudu. Potrzebujemy tylko czasu, dodaje profesor Leslie Rosenberg z University of Washington.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites
W dniu 20.11.2019 o 11:10, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Potrzebujemy tylko czasu, dodaje profesor Leslie Rosenberg z University of Washington.

Wszyscy potrzebują tylko czasu, ale niewykluczone, że jak wykluczy się wszystko, to zostaniemy z ręką w nocniku (po wydaniu sporej na to kasy :)).
P.S. Odnoszę wrażenie, że wykluczanie najbardziej trudnych obserwacyjnie obszarów cieszy się coraz większą popularnością.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Doprawdy zadziwiające. Też tak mam, że im bardziej zaglądam do lodówki, tym bardziej tam niczego nie ma...

Edited by GROSZ-ek

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      W lutym i marcu do amerykańskiego Fermilab dostarczono trzy zestawy miedzianych płyt, które natychmiast zostały zabrane do magazynu znajdującego się 100 metrów pod ziemią. Miedź wydobyto w Finlandii, walcowano w Niemczech i dostarczono do USA, a wszystko odbyło się w ciągu zaledwie 120 dni. Pośpiech był bardzo wskazany. Miedź posłuży do wykrywania ciemnej materii i musi być jak najbardziej czysta, a każdy dzień, jaki spędziła na powierzchni ziemi przyczyniał się do jej zanieczyszczenia.
      Jak wyjaśnia Dan Bauer z Fermilab, powierzchnia Ziemi jest zalewana ciągłym deszczem promieni kosmicznych. Gdy pochodzące z kosmosu cząstki uderzają w atomy miedzi, wybijają z nich protony i neutrony. Powstaje kobalt-60. Jest on radioaktywny, a więc niestabilny, zatem spontanicznie rozpada się na inne cząstki. Dla codziennego użycia miedzi nie ma to żadnego znaczenia, jednak wspomniane płyty zostaną wykorzystane w eksperymencie o nazwie Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS), więc Bauer i jego koledzy muszą być pewni, że miedź jest jak najbardziej czysta.
      Eksperyment SuperCDMS będzie prowadzony w podziemnym laboratorium SNOLAB z Kanadzie. Z płyt powstanie sześć naczyń przypominających duże puszki na napoje. Będą one wchodziły jedna w drugą. Najbardziej wewnętrzne z naczyń będzie zawierało germanowe i krzemowe urządzenia, których zadaniem będzie wykrywanie WIMP-ów, czyli masywnych słabo reagujących cząstek. Naukowców szczególnie interesują WIMP o masie mniejszej niż 1/10 masy protonu.
      Średnica najbardziej zewnętrznej „puszki” wyniesie nieco ponad 1 metr. Całość, zwana SNOBOX, będzie podłączona do specjalnego urządzenia, które schłodzi germanowe i krzemowe czujniki do ułamków stopnia powyżej zero absolutnego. W takich temperaturach drgania wywołane przepływem ciepła są tak minimalne, że urządzenia powinny zarejestrować drgania spowodowane uderzeniem WIMP-a w atom. Bauer mówi, że cały eksperyment jest poszukiwaniem igły w stogu siana. W najlepszym wypadku uda nam się zarejestrować może kilka WIMP rocznie.
      Eksperyment prowadzony będzie dwa kilometry pod ziemią. Czujniki zostaną zamknięte we wspomnianych miedzianych puszkach, a całość będzie dodatkowo chroniona warstwami ołowiu, plastiku i wody. Wszystko po to, by powstrzymać wszelkie inne cząstki – z wyjątkiem WIMP – przed dotarciem do czujników. Jednak pomiędzy czujnikami a miedzią nie będzie żadnej bariery. Dlatego właśnie miedź musi być jak najczystsza. Wszystkie zanieczyszczenia mogą bowiem generować w czujnikach dodatkowe sygnały. Właśnie dlatego naukowcy starają się, by miedź jak najkrócej przebywała na powierzchni ziemi, żeby nie powstawał w niej kobalt-60.
      Jednak kobalt nie nie jedyny problem. W skorupie ziemskiej występuje wiele radioaktywnych izotopów uranu, toru czy potasu. Zatem już samo źródło miedzi, kopalnia, musiało być jak najczystsze. Problemem mogą być też pierwiastki, które nie są radioaktywne. Wszelkie znajdujące się w miedzi zanieczyszczenia zmniejszają jej zdolność do odprowadzania ciepła, co utrudni utrzymanie odpowiednio niskiej temperatury czujników. Czystość SuperCDMS musi wynosić ponad 99,99%. Zanieczyszczenia radioaktywne zaś mogą stanowić tam mniej niż 0,1 części na miliard.
      Mimo najlepszych starań fińskich i niemieckich specjalistów, nie wszystkie zanieczyszczenia można z miedzi wyeliminować. Chociażby dlatego, że do końca nie wiemy, jakie procesy zachodzą w miedzi podczas jej obróbki. Dlatego też, gdy płyty dotarły do Fermilab zostały pobrane z nich próbki, które trafiły do Pacific Northwest National Laboratory. Tam przeprowadzono testy, mające na celu dokładne opisanie pozostałych zanieczyszczeń.
      Wkrótce płyty wyjadą z Fermilab do zakładu, gdzie powstaną z nich „puszki”. Znajdą się wówczas na powierzchni, więc „kobaltowy zegar” będzie tykał. Zatrzyma się dopiero gdy całość trafi do podziemnego laboratorium w Kanadzie.
      Ostatnią czynnością, jaką wykonamy przed zabraniem ich pod ziemię będzie spryskanie ich kwasem, który usunie z nich kilkadziesiąt mikrometrów powierzchni, mówi Bauer. Kwas ten to mieszanina wody utlenionej i rozcieńczonego kwasu solnego. Następnie całość zostanie pokryta słabym roztworem kwasu cytrynowego, który będzie chronił „puszki” przed utlenianiem w czasie prowadzenia eksperymentu.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Rozpoczyna się rozruch najbardziej czułego wykrywacza ciemnej materii LUX-ZEPLIN. W ubiegłym miesiącu amerykański Departament Energii oficjalnie uznał, że budowa instalacji została ukończona. Teraz pozostaje ją uruchomić i rozpocząć eksperymenty.
      LUX-ZEPLIN (LZ) wykorzysta 10 ton ciekłego ksenonu do poszukiwania sygnałów pochodzących ze słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP). WIMP to hipotetyczne – ich istnienia nie udowodniono – cząstki tworzące ciemną materię. LZ ma wykrywać obecność WIMP poprzez rejestrowanie rozbłysków światła, jakie mają się pojawiać, gdy WIMP wejdzie w interakcję z atomem ksenonu.
      Kończymy odbiór LZ. Jesteśmy obecnie w fazie testów. W przyszłym roku chcemy uzyskać pierwsze dane z LZ, mówi Simon Fiorucci, fizyk z Lawrence Berkeley National Laboratory, który jest menedżerem ds. operacyjnych LZ.
      LUX-ZEPLIN to następca opisywanego przez nas urządzenia LUX (Large Underground Xenon). LUX zakończył poszukiwania ciemnej materii w 2016 roku, a w roku 2017 rozpoczęto budowę LUX-ZEPLIN. Urządzenie umieszczono w tym samym miejscu, w którym znajdował się LUX, czyli w znajdującym się 1,5 kilometra pod ziemią Sanford Underground Research Facility w Południowej Dakocie.
      LUX nie znalazł ciemnej materii. Jednak naukowcy się nie poddają, stąd pomysł na LUX-ZEPLIN. Nowe urządzenie jest 100-krotnie bardziej czułe od LUX, między innymi dlatego, że używa 10 ton ksenonu. W LUX wykorzystywano 300 kg ksenonu. Ponadto rozbłyski, do jakich ma dochodzić przy zderzeniu WIMP z jądrami ksenonu będą rejestrowane przez 500 czujników. To 4-krotnie więcej niż w LUX.
      W pracach nad LZ brali udział specjaliści ze SLAC National Accelerator Laboratory, których zadaniem było usunięcie kryptonu z ksenonu. Jego śladowe ilości pozostają bowiem po standardowych procedurach oczyszczających. Za budowę systemu oczyszczającego i schładzającego ksenon byli z kolei odpowiedzialni eksperci z Fermilab, których zadaniem było też stworzenie narzędzi do analizy danych. Z kolei wspomniane czujniki to wspólne dzieło uczonych ze SLAC i Berkeley lab.
      W budowie LZ brali też udział eksperci spoza Stanów Zjedoczonych. Brytyjczycy i Włosi zbudowali pojemnik na ksenon. Powstał on z ultra czystego tytanu, co pozwoliło na dalszą redukcję szumów tła. To jednak nie jedyna osłona przed niekorzystnym wpływem czynników zewnętrznych. Tytanowy pojemnik z 10 tonami ksenonu znajduje się w drugim, większym pojemniku. To zbiornik osłonowy wypełniony scyntylatorem, którego zadaniem jest dodatkowa osłona przed promieniowaniem.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W czerwcu informowaliśmy, że najczulszy detektor ciemnej materii – XENON1T – zarejestrował niezwykłe sygnały. Jak wówczas pisaliśmy, możliwe są trzy interpretacje tego, co zauważono. Najmniej interesująca z nich to zanieczyszczenie urządzenia. Drugim możliwym wyjaśnieniem jest zarejestrowanie aksjonu, hipotetycznej cząstki tworzącej ciemną materię, a trzecim – równie interesująca możliwość wchodzenia neutrin w niezwykłe interakcje z wypełniającym detektor ksenonem.
      Na łamach Physical Review D i Physical Review Letters ukazało się właśnie 5 artykułów, których autorzy dokonują niezwykle interesujących interpretacji sygnałów.
      Fuminotu Takahashi, Masaki Yamada i Wen Yin uważają, że zarejestrowane sygnały świadczą o zauważeniu cząstek podobnych do aksjonów. Mają mieć one masę kilku keV/c2 i wchodzić w interakcje z elektronami. Ich zdaniem cząstki o takich właściwościach tłumaczą zarejestrowany sygnał, stanowią ciemną materię i wyjaśniają pewne anomalie obserwowane w białych karłach i czerwonych olbrzymach.
      Z kolei niemiecki zespół naukowy, Andreas Bally, Sudip Jana i Andreas Trautner, pisze, że sygnał może pochodzić od nieznanego bozonu cechowania, który pośredniczy w interakcjach pomiędzy pochodzącymi ze Słońca neutrinami a elektronami.
      Jeszcze inny pomysł ma Nicole F. Bell z University of Melbourne i jej koledzy z USA. Uważają oni, że źródłem sygnału jest cząstka ciemnej materii o relatywnie niskiej masie. Ich zdaniem cząstka taka można trafiać do detektora w "lekkim stanie" i rozpraszać się do "stanu ciężkiego", który rozpada się z towarzyszącą emisją fotonu. I to właśnie ten foton wchodzi w reakcje z elektronem, dając obserwowany sygnał.
      Bartosz Fornal z University of Utah oraz naukowcy z Pekinu i Hongkongu również uważają, że mamy do czyeniania z cząstką ciemnej materii. Ma ona pochodzić z centrum galaktyki. Sygnał zaś bierze się z jej interakcji z elektronami w XENON1T.
      Autorami ostatniego artykułu są Joseph Bramante i Ningqiang Song z Kanady. Naukowcy sądzą, że źródłem sygnału są rozpraszające się cząstki ciemnej materii będącej termicznym reliktem wczesnego wszechświata.
      Na ostateczne rozstrzygnięcie zagadki będziemy musieli jeszcze poczekać. Uda się to pod warunkiem, że podobny sygnał zostanie zarejestrowany w kolejnych eksperymentach związanych z poszukiwaniem ciemnej materii.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wśród wielu niezwykłych idei Stephena Hawkinga jest i taka, zgodnie z którą ciemną materię stanowią czarne dziury, które powstały krótko po Wielkim Wybuchu. Pomysł taki jednak odrzucono, jednak nowe badania wskazują, że hipoteza taka może być prawdziwa.
      Pierwotne czarne dziury miałyby powstać nie w wyniku zapadania się gwiazd, a bezpośrednio z gęstej materii powstałej tuż po Wielkim Wybuchu. Tym samym ich masa mogłaby być znacznie mniejsza od masy Słońca.
      Obecnie znamy olbrzymie czarne dziury w centrach galaktyk oraz czarne dziury o masie gwiazdowej. Te drugie powstają w wyniku kolapsu grawitacyjnego gwiazd. Przed uruchomieniem wykrywacza fal grawitacyjnych LIGO znaliśmy czarne dziury o masie gwiazdowej nie przekraczającej około 20 mas Słońca. Jednak dzięki LIGO i europejskiemu VIRGO zaczęliśmy wykrywać bardziej masywne czarne dziury. Okazało się, że istnieją takie obiekty o masach od ponad 20 do nawet 85 mas Słońca. Udało się też zidentyfikować dziury o znacznie mniejszej masie. A najmniej masywna znana czarna dziura miała zaledwie 2,59 masy Słońca.
      Jeśli uda się wykryć czarne dziury o mniejszych niż masy gwiazd, z których obiekty takie mogą powstawać, może to oznaczać, że mamy do czynienia właśnie z pierwotnymi czarnymi dziurami. Zresztą już same prace tandemu LIGO/Virgo pokazały, że zakres mas czarnych dziur jest znacznie większy niż dotychczas przypuszczano, więc i samych czarnych dziur jest znacznie więcej, niż nam się wydaje.
      Jednak w 2017 roku Yacine Ali-Haïmoud, astrofizyk z New York University, opublikował pracę, w której wyliczał, że gdyby zaraz po Wielkim Wybuchu powstało tyle czarnych dziur, iż wyjaśniałyby one istnienie ciemnej materii, to z czasem dziury takie tworzyłyby pary, zaczynały wokół siebie krążyć, a w końcu łączyłyby się emitując fale grawitacyjne. Wydarzeń takich, wyliczał uczony, powinno być tak wiele, że LIGO/Virgo wykrywałyby tysiące razy więcej fal grawitacyjnych niż obecnie. Argumenty naukowca z Nowego Jorku były tak przekonujące, że wielu entuzjastów hipotezy pierwotnych czarnych dziur straciło dla niej serce.
      W ubiegłym tygodniu na łamach Cosmology and Astroparticle Physics Karsten Jedamzik z Uniwersytetu w Monpellier opublikował obliczenia, z których wynika, że w wielkiej populacji pierwotnych czarnych dziur zachodziłoby dokładnie tyle zderzeń ile obecnie obserwują wykrywacze fal grawitacyjnych. Jeśli jego obliczenia są prawidłowe, a wydaje się, że przeprowadził je skrupulatnie, to pogrzebał nasze własne wyliczenia, przyznaje Ali-Haïmoud. To by oznaczało, że czarne dziury rzeczywiście mogą stanowić całą ciemną materię.
      W latach 70. Stephen Hawking i Bernard Carr wysunęli hipotezę, że w czasie pierwszych ułamków sekundy po Wielkim Wybuchu, w rozszerzającym się wszechświecie pojawiały się niewielkie fluktuacje materii, które zamieniały się w czarne dziury. Hawking przeprowadził nawet zgrubne obliczenia, z których wynikało, że jeśli te czarne dziury miały rozmiar większy od małych asteroid, to istnieją do dzisiaj. W latach 90. zarysowano nieco bardziej szczegółowy obraz wydarzeń. Produkcję takich czarnych dziur przyspieszało ochładzanie się materii. Gdy po tysięcznych częściach sekundy od Wielkiego Wybuchu wszechświat nieco się ochłodził, kwarki i gluony z pierwotnej zupy zaczęły łączyć się w cięższe cząstki. Spadło ciśnienie, co spowodowało, że jeszcze więcej regionów zapadło się do czarnych dziur.
      Jednak przed 30 laty nie rozumiano dobrze fizyki plazmy kwarkowo-gluonowej, więc nikt nie potrafił precyzyjnie obliczyć, jak pojawienie się innych cząstek wpłynęło na tworzenie się czarnych dziur, jak masywne były to dziury, ani jak wiele mogło ich powstać. Ponadto zbytnio się tym tematem nie zajmowano. Pierwotne dziury nie były potrzebne, gdyż panował szeroko rozpowszechniony pogląd, że ciemną materię tworzą WIMPy (słabo oddziałujące masywne cząstki). Pierwotne czarne dziury odeszły w zapomnienie, stawały się przedmiotem kpin.
      Jednak WIMP-ów nie odkryto, za to coraz więcej wiemy od warunkach, jakie mogły panować na samym początku wszechświata.
      Od kilku lat niektórzy naukowcy bardziej intensywnie zajmują się pierwotnymi czarnymi dziurami. Publikowane prace pokazują, w jaki sposób mogły one powstać. Pierwsza generacja czarnych dziur mogła pojawić się po spadku temperatury wszechświata i utworzeniu przez kwarki i gluony pierwszych protonów i neutronów. Spowodowany tym spadek ciśnienia wywołał tworzenie się czarnych dziur, z których każda mogła wchłonąć ze swojej okolicy materię o masie około 1 masy Słońca. Oddziaływanie czarnej dziury było ograniczone horyzontem.
      Jednak wszechświat nadal się ochładzał. Zaczęły formować się kolejne cząstki, jak piony. To znowu spowodowało spadek ciśnienia i masowe pojawianie się kolejnych pierwotnych czarnych dziur. Jako, że wszechświat ciągle się rozszerzał, dziury należące do tej drugiej generacji mogły wchłaniać już więcej materii. Z obliczeń wynika, że było to około 30 mas Słońca. Dokładnie tyle, ile czarne dziury wykrywane przez LIGO/Virgo.
      Po uruchomieniu LIGO zainteresowanie koncepcją pierwotnych czarnych dziur wzrosło. Jednak Ali-Haïmoud przedstawił wspomnianą wcześniej pracę, w której odrzucił tę koncepcję. Obliczył bowiem, że dziur powinno być tak dużo, że rejestrowalibyśmy obecnie tysiące razy więcej fal grawitacyjnych niż rejestrujemy.
      Z zagadnieniem tym postanowił zmierzyć się Karsten Jedamzik, kosmolog z Montpellier. Gdy stworzył numeryczną symulację wszechświata pełnego obecnie czarnych dziur, odkrył zjawisko, którego Ali-Haimoud nie zauważył. Stwierdził otóż, że we wszechświecie pełnym czarnych dziur rzeczywiście dochodziłoby do bardzo częstego tworzenia się układów podwójnych takich obiektów. Jednak równie często do takiego układu podwójnego zbliżyłaby się trzecia czarna dziura i zamieniłaby się miejscami z jedną z dziur układu. Taki proces ciągle by się powtarzał. Z czasem, jak wylicza Jedamzik, takie ciągle zmieniające partnera czarne dziury tworzyłyby układy podwójne o niemal kołowych orbitach. W takich układach do zderzeń dochodziłoby bardzo rzadko. Z obliczeń Jedamzika wynika, że z powodu opisanego zjawiska nawet we wszechświecie pełnym czarnych dziur, notowalibyśmy fale grawitacyjne równie rzadko co obecnie.
      Co więcej Jedamzik oblicza, że pierwotne czarne dziury tworzą gromady o średnicy niemal 4 lat świetlnych. W takich gromadach może znajdować się około 1000 czarnych dziur. W centrum gromady skupiają się dziury o masie około 30 mas Słońca, na jej obrzeżach krążą mniej masywne czarne dziury. Takie gromady mogą znajdować się dosłownie wszędzie.
      Prace Jedamzika niczego jeszcze nie przesądzają. One wypełniają luki w nieistniejącej teorii, mówi Carl Rodriguez, astrofizyk z Carnegie Mellon Univeristy. Zwolennicy hipotezy pierwotnych czarnych dziur mają jeszcze wiele do zrobienia. W sygnałach z LIGO obserwujemy pewne dziwne zjawiska, jednak wszystko, co dotychczas zarejestrowaliśmy, można wytłumaczyć istnieniem standardowego procesu ewolucji gwiazd.
      Wygląda jednak na to, że istnienie bądź nieistnienie pierwotnych czarnych dziur zostanie dość szybko rozstrzygnięte. To nie jest nic w rodzaju teorii strun, gdzie dekadę czy trzy dekady później wciąż trwa dyskusja, stwierdza Chrisitan Byrnes z University of Sussex. Rosnąca czułość LIGO już wkrótce powinna pozwolić albo na wykrycie czarnej dziury o masie poniżej masy gwiazdowej, albo też na znalezienie ścisłego limitu minimalnej masy dla czarnych dziur.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...