Najczulszy detektor ciemnej materii zarejestrował niezwykłe sygnały. Fizycy nie wiedzą, czym one są
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Podczas seminarium zorganizowanego w CERN-ie naukowcy pracujący przy projekcie NA62, w ramach którego badane są rzadkie rozpady kaonów, poinformowali o jednoznacznym potwierdzeniu rejestracji ultrarzadkiego rozpadu kaonu dodatniego do dodatnio naładowanego pionu i parę neutrino-antyneutrino. Uczeni z NA62 już wcześniej obserwowali sygnały, świadczące o zachodzeniu takiego procesu, jednak teraz, po raz pierwszy, pomiary zostały dokonane z poziomem ufności 5σ, od którego możemy mówić o dokonaniu odkrycia.
Zaobserwowane zjawisko, które zapisujemy jako K+→π+νν, to jeden z najrzadziej obserwowanych rozpadów. Model Standardowy przewiduje, że w ten sposób rozpada się mniej niż 1 na 10 miliardów kaonów dodatnich. Ta obserwacja to moment kulminacyjny projektu, który rozpoczęliśmy ponad dekadę temu. Obserwowanie zjawisk naturalnych, których prawdopodobieństwo wynosi 10-11 jest zarówno fascynujące, jak i wymagające. Wielki wysiłek, jaki włożyliśmy w badania, w końcu zaowocował obserwacją, dla której projekt NA62 powstał, mówi Giuseppe Ruggiero, rzecznik projektu badawczego.
Po co jednak fizycy wkładają tyle wysiłku w obserwacje tak rzadko zachodzącego procesu? Otóż modele teoretyczne sugerują, że rozpad K+→π+νν jest niezwykle wrażliwy na wszelkie odchylenia od Modelu Standardowego, jest zatem jednym z najbardziej interesujących procesów dla poszukiwań zjawisk fizycznych wykraczających poza Model Standardowy.
Uzyskany obecnie wynik jest o około 50% większy, niż zakłada to MS, ale wciąż mieści się w granicach niepewności. Dzięki zebraniu kolejnych danych naukowcy z NA62 będą w stanie w ciągu kilku lat przeprowadzić testy rozpadu pod kątem występowania tam zjawisk, których Model Standardowy nie opisuje. Poszukiwanie nowej fizyki w tym rozpadzie wymaga zgromadzenia większej ilości danych. Nasze obecne osiągnięcie to duży krok naprzód. Stanowi ono fundament dla kolejnych badań, dodaje Karim Massri z NA62.
Grupa NA62 uzyskuje kaony kierując intensywny promień protonów z Super Proton Synchrotron w CERN-ie na stacjonarny cel. W wyniku zderzenia w każdej sekundzie powstaje około miliarda cząstek, które są rejestrowane przez detektory. Dodatnie kaony stanowią około 6% z tych cząstek. NA62 dokładnie określa sposób rozpadu tych kaonów, rejestrując wszystkie powstające wówczas cząstki, z wyjątkiem neutrin. Ich obecność jest dedukowana z brakującej energii.
Dla obecnie opisanego odkrycia kluczowe były dane zebrane w roku 2021 i 2022, które zgromadzono po udoskonaleniu detektorów. Dzięki temu NA62 może pracować z wiązkami o 30% bardziej intensywnymi. W połączeniu z nowymi technikami analitycznymi, naukowcy są w stanie prowadzić analizy o 50% szybciej, niż wcześniej, a jednocześnie tłumić sygnały, które są podobne. Nasza praca polega na zidentyfikowaniu 1 na 10 miliardów rozpadu K+ i upewnieniu się, że nie był to żaden z pozostałych 9 999 999 999, dodaje kierownik projektu, Joel Swallow.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Gdyby większość ciemnej materii istniała nie w postaci w formie cząstek, a mikroskopijnych czarnych dziur, to mogłyby one wpływać na orbitę Marsa tak, że bylibyśmy w stanie wykryć to za pomocą współczesnej technologii. Zatem zmiany orbity Czerwonej Planety mogłyby posłużyć do szukania ciemnej materii, uważają naukowcy z MIT, Uniwersytetu Stanforda i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz. A wszystko zaczęło się od odrodzenia hipotezy z lat 70. XX wieku i pytania o to, co stałoby się z człowiekiem, przez którego przeszłaby miniaturowa czarna dziura.
Pomysł, że większość ciemnej materii, której wciąż nie potrafimy znaleźć, istnieje w postaci miniaturowych czarnych dziur, narodził się w latach 70. Wysunięto wówczas hipotezę, że u zarania wszechświata z zapadających się chmur gazu powstały niewielkie czarne dziury, które w miarę ochładzania się i rozszerzania wszechświata, rozproszyły się po nim. Takie czarne dziury mogą mieć wielkość pojedynczego atomu i masę największych znanych asteroid. W ostatnich latach hipoteza ta zaczęła zdobywać popularność w kręgach naukowych.
Niedawno jeden z autorów badań, Tung Tran, został przez kogoś zapytany, co by się stało, gdyby taka pierwotna czarna dziura przeszła przez człowieka. Tran chwycił za coś do pisania i wyliczył, że gdyby tego typu czarna dziura minęła przeciętnego człowieka w odległości 1 metra, to osoba taka zostałaby w ciągu 1 sekundy odrzucona o 6 metrów. Badacz wyliczył też, że prawdopodobieństwo, by taki obiekt znalazł się w pobliżu kogokolwiek na Ziemi jest niezwykle małe.
Jednak Tung postanowił sprawdzić, co by się stało, gdyby miniaturowa czarna dziura przeleciała w pobliżu Ziemi i spowodowała niewielkie zmiany orbity Księżyca. Do pomocy w obliczeniach zaprzągł kolegów. Wyniki, które otrzymaliśmy, były niejasne. W Układzie Słonecznym mamy do czynienia z tak dynamicznym układem, że inne siły mogłyby zapobiec takim zmianom, mówi uczony.
Badacze, chcąc uzyskać jaśniejszy obraz, stworzyli uproszczoną symulację Układu Słonecznego składającego się z wszystkich planet i największych księżyców. Najdoskonalsze symulacje Układu biorą pod uwagę ponad milion obiektów, z których każdy wywiera jakiś wpływ na inne. Jednak nawet nasza uproszczona symulacja dostarczyła takich danych, które zachęciły nas do bliższego przyjrzenia się problemowi, wyjaśnia Benjamin Lehmann z MIT.
Na podstawie szacunków dotyczących rozkładu ciemnej materii we wszechświecie i masy miniaturowych czarnych dziur naukowcy obliczyli, że taka wędrująca we wszechświecie czarna dziura może raz na 10 lat trafić do wewnętrznych regionów Układu Słonecznego. Wykorzystując dostępne symulacje rozkładu i prędkości przemieszczania się ciemnej materii w Drodze Mlecznej, uczeni symulowali przeloty tego typu czarnych dziur z prędkością około 241 km/s. Szybko odkryli, że o ile efekty przelotu takiej dziury w pobliżu Ziemi czy Księżyca byłyby trudne do obserwowania, gdyż ciężko byłoby stwierdzić, że widoczne zmiany wywołała czarna dziura, to w przypadku Marsa obraz jest już znacznie jaśniejszy.
Z symulacji wynika bowiem, że jeśli pierwotna czarna dziura przeleciałaby w odległości kilkuset milionów kilometrów od Marsa, po kilku latach orbita Czerwonej Planety zmieniłaby się o około metr. To wystarczy, by zmianę taką wykryły instrumenty, za pomocą których badamy Marsa.
Zdaniem badaczy, jeśli w ciągu najbliższych dziesięcioleci zaobserwujemy taką zmianę, powinniśmy przede wszystkim sprawdzić, czy nie została ona spowodowana przez coś innego. Czy to nie była na przykład nudna asteroida, a nie ekscytująca czarna dziura. Na szczęście obecnie jesteśmy w stanie z wieloletnim wyprzedzeniem śledzić tak wielkie asteroidy, obliczać ich trajektorie i porównywać je z tym, co wynika z symulacji dotyczących pierwotnych czarnych dziur, przypomina profesor David Kaiser z MIT.
A profesor Matt Caplan, który nie był zaangażowany w badania, dodaje, że skoro mamy już obliczenia i symulacje, to pozostaje najtrudniejsza część – znalezienie i zidentyfikowanie prawdziwego sygnału, który potwierdzi te rozważania.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Japoński akcelerator cząstek SuperKEKB pobił światowy rekord świetlności. Pracujący przy nim naukowcy obiecują, że to dopiero początek. W ciągu najbliższych lat chcą zwiększyć świetlność urządzenia aż 40-krotnie, co ma pozwolić zarówno na odkrycie ciemnej materii, jak i wyjście z fizyką poza Model Standardowy. Mamy nadzieję, że akcelerator pozwoli nam wykryć ciemną materię – o ile ona istnieje – i badać ją w niedostępny obecnie sposób, mówi profesor Kay Kinoshita z University of Cincinnati.
Świetlność akceleratora to liczba kolizji, która w nim zachodzi. Podczas tych zderzeń powstają nowe cząstki. Im więc więcej zderzeń, tym więcej cząstek, więcej danych i większa szansa n a zarejestrowanie czegoś nowego.
SuperKEKB zderza pozytony i elektrony przyspieszane w 3-kilometrowym tunelu. Akcelerator został uruchomiony w 2018 roku i naukowcy ciągle pracują nad zwiększaniem jego jasności. Profesor Alan Schwartz i jego studenci z University of Cincinnati zaprojektowali i zbudowali jeden z detektorów akceleratora. To krok milowy w projektowaniu akceleratorów. SuperKEKB wykorzystuje architekturę tzw. „nano strumieni”. W technice tej strumienie cząstek są ściskane wzdłuż osi pionowej, dzięki czemu są bardzo cienkie, wyjaśnia Schwartz. To pierwszy na świecie akcelerator, który korzysta z tej techniki.
Ze względu na rozmiary cząstek, szansa, że dojdzie do zderzenia, jest niewielka. Im bardziej ściśnięty strumień, tym większe zagęszczenie cząstek i tym większe prawdopodobieństwo zderzeń. Obecnie wysokość wiązki w punkcie zderzenia wynosi 220 nanometrów. W przyszłości ma to być zaledwie 50 nanometrów, czyli około 1/1000 grubości ludzkiego włosa.
Profesor Kay Kinoshita poświęciła całą swoją naukową karierę zagadnieniu zwiększania świetlności akceleratorów. Uczona pracuje nad tym zagadnieniem od 1982 roku. To bardzo interesujące, gdyż jest bardzo wymagające. Wiesz, że robisz coś, czego nikt nigdy nie zrobił, mówi.
Poprzednik SuperKEKB, akcelerator KEKB, który działał w latach 1999–2010 w KEK (Organizacja Badań nad Akceleratorami Wysokich Energii), również był światowym rekordzistą. Urządzenie pracowało ze świetlnością 2,11x1034 cm-2s-1. Dopiero w 2018 roku rekord ten został pobity przez Wielki Zderzacz Hadronów, który osiągnął świetlność 2,14x1034 cm-2s-1. Rekord LHC nie utrzymał się długo, dnia 15 czerwca 2020 roku SuperKEKB osiągnął świetlność 2,22x1034 cm-2s-1. Już tydzień później, 21 czerwca naukowcy poinformowali o nowym rekordzie. Teraz SuperKEKB pracuje ze świetlnością wynoszącą 2,40x1034 cm-2s-1.
W ciągu najbliższych lat świetlność SuperKEKB ma wzrosnąć 40-krotnie. Docelowo ma ona wynieść 8x1035 cm-2s-1.
Sukces SuperKEKB to sukces międzynarodowej współpracy. Nadprzewodzące magnesy, które ostatecznie skupiają strumienie cząstek zostały zbudowane we współpracy z amerykańskimi Brookhaven National Laboratory oraz Fermi National Accelerator Laboratory. Systemy monitorowania kolizji to dzieło SLAC National Accelerator Laboratory i University of Hawaii. Naukowcy ze Szwajcarii (CERN), Francji (IJCLab), Chin (IHEP) i USA (SLAC) biorą udział w pracach i badaniach, w których wykorzystywany jest akcelerator. Wykorzystujący diament system monitorowania promieniowania oraz system przerywania wiązki to dzieło włoskich Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej oraz Uniwersytetu w Trieście, a system monitorowania jasności powstał w Rosji.
Wiązki elektronów i pozytonów rozpędzane w SuperKEKB zderzają się w centrum detektora Belle II, który opisywaliśmy przed 2 laty. To niezwykłe urządzenie zostało zbudowane przez grupę 1000 fizyków i inżynierów ze 119 uczelni z 26 krajów świata. I to właśnie wewnątrz Belle II naukowcy mają nadzieję znaleźć ciemną materię i rozpocząć badania jej właściwości.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Nowe dane z najczulszego na świecie wykrywacza ciemnej materii pozwalają zawęzić obszar poszukiwań, przybliżając nas do odkrycia jednej z największych tajemnic wszechświata. Jednocześnie jednak pokazują, że odnalezienie cząstek ciemnej materii będzie bardzo trudne. O ile w ogóle zostaną znalezione, gdyż eksperyment o którym mowa – LUX-ZEPLIN – szuka słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP). Nigdy ich nie zarejestrowano, jednak są one jednym z głównych kandydatów na cząstki, z których składa się ciemna materia.
Nowe dane opublikowano przed trzema dniami podczas TeV Particle Astrophysics 2024 Conference w Chicago oraz LIDINE 2024 Conference w São Paulo.
Znajdujący się w Sanford Underground Research Facility w Dakocie Południowej LUX-ZEPLIN to najbardziej czuły eksperyment poszukujący ciemnej materii, przede wszystkim WIMPów. Pracuje przy nim ponad 250 naukowców z USA, Wielkiej Brytanii, Szwajcarii, Australii, Portugalii i Korei Południowej.
Najnowsze dane oznaczają znaczący postęp w stosunku do wcześniejszych poszukiwań WIMP. Przeszukaliśmy wielki zakres mas, w których cząstki ciemnej materii mogłyby wchodzić w interakcje ze zwykłą materią i nie znaleźliśmy ciemnej materii. Jej poszukiwania to zdecydowanie maraton, a nie sprint. LZ zebrał trzykrotnie więcej danych, niż dotychczas przeanalizowaliśmy, więc piłka wciąż jest w grze, mówi profesor Henning Flaecher z Uniwersytetu w Bristolu.
LZ nie znalazł WIMPów powyżej masy 9 GeV/c2. Trzeba tutaj zauważyć, że 1 GeV/c2 to masa atomu wodoru. Jeśli porównamy poszukiwania ciemnej materii z szukaniem zakopanego skarbu, to wykopaliśmy 5-krotnie głębszą dziurę niż wcześniejsi poszukiwacze. Jednak aby to zrobić nie wystarczy i milion łopat. Trzeba stworzyć nowe urządzenie, obrazowo opisuje wysiłki naukowców profesor Scott Kravitz z University of Texas w Austin.
Wykrywacz musi pracować przez 1000 dni, by możliwe było wykorzystanie jego maksymalnej czułości. Obecna analiza zawiera dane z 280 dni pracy. Pochodzą one z 220 dni pomiędzy marcem 2023 a kwietniem 2024 oraz z 60 dni podczas pierwszej kampanii badawczej. Pełny zestaw 1000 dni pracy naukowcy chcą osiągnąć przed końcem 2028 roku.
LZ usiłuje zarejestrować interakcje pomiędzy materią a ciemną materią. Urządzenie musi być więc niezwykle precyzyjnie skalibrowane, by maksymalnie zredukować szum tła. Wykrywacz znajduje się niemal 1,5 kilometra pod ziemią. To w znacznym stopni chroni go przed promieniowaniem kosmicznym. Jego sercem jest zbiornik zawierający 7 ton czystego ksenonu oraz 500 fotodetektorów, które mają zarejestrować rozbłysk światła pochodzący z interakcji pomiędzy WIMP a jądrem ksenonu.
Urządzenie zbudowane zostało z tysięcy ultraczystych elementów o bardzo niskim promieniowaniu. Jego konstrukcja jest warstwowa, przypomina cebulę. Każda z warstw ma blokować zewnętrzne promieniowanie lub śledzić interakcje pomiędzy cząstkami, by wykluczyć fałszywe sygnały. Podczas najnowszej analizy po raz pierwszy zastosowano też technikę celowego dodawania fałszywych sygnałów. Dzięki temu podczas analizy naukowcy wiedzą, że mają w danych fałszywe sygnały – nie wiedzą jednak które to – a to pozwala na uniknięcie sytuacji, w której zbyt pochopnie uzna się jakiś sygnał na wskazujący na istnienie WIMP. Ludzie mają tendencję do dostrzegania wzorców w danych. Jest więc bardzo ważnym, by unikać wszelkich tego typu pomyłek, dodaje profesor Scott Haselschwardt z University of Michigan.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
O teleskopie Hubble'a słyszeli chyba wszyscy. Nic w tym dziwnego, gdyż jest to jeden z najważniejszych instrumentów naukowych wykorzystywanych obecnie przez człowieka. Niewiele osób jednak wie, że teleskopy wcale nie muszą spoglądać w niebo. Na Antarktydzie powstaje właśnie niezwykłe urządzenie. Teleskop IceCube (Kostka Lodu), jest budowany wewnątrz lodowej czapy pokrywającej południowy biegun naszej planety. Jego zadaniem jest wykrywanie neutrin.
Neutrino
Neutrino to jedna z cząstek elementarnych. Należy ona do grupy leptonów i wyróżniamy trzy typy neutrin: taonowe, mionowe oraz elektronowe. Neutrino ma zerowy ładunek elektryczny i niemal nie ma masy. Cząstka jest tak przenikliwa, że na przykład planety nie stanowią dla niej żadnej przeszkody. W każdej chwili przez nasze ciała, przez budynki i przez samą Ziemię przelatuje niezliczona liczba neutrin. Ich głównym źródłem jest oddziaływanie promieni kosmicznych w górnych warstwach atmosfery. Neutrina emitują też np. gwiazdy i reaktory atomowe.
Istnienie neutrin zostało przewidziane teoretycznie w 1930 roku przez Wolfganga Pauliego, ale musiało minąć aż 26 lat zanim eksperymentalnie udowodniono, że Pauli się nie mylił.
Cząsteczki te są bardzo łakomym kąskiem dla astronomów. Podróżują z prędkością światła od źródeł promieniowania, a na swej drodze nie napotykają niemal żadnych przeszkód. Neutrina powstają np. we wnętrzach gwiazd i bez najmniejszych problemów przemierzają przestrzeń kosmiczną. Badanie neutrin pozwala więc naukowcom wysnuć wnioski na temat samych źródeł, z których zostały wyemitowane.
Z tego, co wiemy obecnie, zdecydowana większość istniejących neutrin pochodzi z samych początków wszechświata, powstały w momencie Wielkiego Wybuchu.
IceCube
Neutrina badane są od kilkudziesięciu lat i od lat naukowcy opracowują nowe metody ich obserwacji. Teoretycy od dawna uważają, że do obserwacji neutrin pochodzących z bardzo odległych źródeł potrzebny jest instrument długości co najmniej kilometra. Takim instrumentem ma być IceCube. Na miejsce jego budowy wybrano Antarktydę, gdyż jej lody są wyjątkowo czyste i wolne od źródeł promieniowania. Nic nie powinno więc zakłócać pracy niezwykłego teleskopu.
Będzie się on składał z co najmniej 4200 modułów optycznych zawieszonych na 70 pionowych linach, a te z kolei będą umieszczone na głębokości od 1450 do 2450 metrów pod powierzchnią lodu. Na samej powierzchni znajdzie się kopuła zbudowana z co najmniej 280 modułów optycznych. Powierzchnia IceCube'a będzie wynosiła około 1 kilometra kwadratowego. Jak łatwo obliczyć, objętość tego niezwykłego instrumentu naukowego to około 2,5 kilometra sześciennego. Po ukończeniu prac IceCube będzie działał przez 20 lat.
Uczeni mają nadzieję, że odpowie on na tak fundamentalne pytania, jak warunki fizyczne rozbłysków gamma czy też pozwoli zbadać naturę fotonów pochodzących z pozostałości po supernowej w gwiazdozbiorze Kraba oraz z nieodległych galaktyk. Być może IceCube pozwoli również potwierdzić teorię strun.
Obecnie IceCube składa się z 40 lin. Do stycznia 2009 roku przybędzie 9 kolejnych. Rok później mają być już 63 liny, a w marcu 2010 roku urządzenie osiągnie pełną gotowość operacyjną. We wrześniu 2010 roku zakończony zostanie główny etap budowy IceCube'a.
Obecnie budżet projektu wynosi 271 milionów dolarów. W pracach bierze udział około 200 naukowców i 29 instytucji.
O skali przedsięwzięcia niech świadczą liczby. Wywiercenie w lodzie każdego z 70 otworów o średniej głębokości 2454 metrów trwa średnio 48 godzin (pierwszy otwór wiercono przez 57 godzin). W tym czasie usuwane jest 757 metrów sześciennych lodu i zużyciu ulega około 2400 litrów paliwa. W każdym otworze umieszczana jest lina. Operacja ta trwa 11 godzin. Praca nie jest łatwa, gdyż Antarktyda to najzimniejsze, najbardziej wietrzne i najbardziej suche miejsce na Ziemi. W niektórych jej punktach nie padało od tysięcy lat, a średnie temperatury na Biegunie Południowym wynoszą latem około -37 stopni Celsjusza. Rekord ciepła na Biegunie to -13,8 stopnia Celsjusza. Rekord zimna na Antarktydzie to -89 stopni Celsjusza.
Najsilniejsze podmuchy wiatru zanotowano w lipcu 1972 roku. Naukowcy z francuskiej bazy Dumont d'Urville poinformowali wówczas, że wiatr wial z prędkością 320 kilometrów na godzinę. Na Antarktydzie znajduje się też największa pustynia na świecie, a rekordowy zanotowany spadek temperatury wyniósł 36 stopni w ciągu 12 minut.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.