Ciemną materię tworzą czarne dziury? Obliczenia dodają skrzydeł odrzuconej koncepcji Hawkinga
-
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
Japoński akcelerator cząstek SuperKEKB pobił światowy rekord jasności. Pracujący przy nim naukowcy obiecują, że to dopiero początek. W ciągu najbliższych lat chcą zwiększyć jasność 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.
Jasność 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 manometrów, czyli około 1/1000 grubości ludzkiego włosa.
Profesor Kay Kinoshita poświęciła całą swoją naukową karierę zagadnieniu zwiększania jasności 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 z jasnością 2,11x1034 cm-2s-1. Dopiero w 2018 roku rekord ten został pobity przez Wielki Zderzacz Hadronów, który osiągnął jasność 2,14x1034 cm-2s-1. Rekord LHC nie utrzymał się długo, dnia 15 czerwca 2020 roku SuperKEKB osiągnął jasność 2,22x1034 cm-2s-1. Już tydzień później, 21 czerwca naukowcy poinformowali o nowym rekordzie. Teraz SuperKEKB pracuje z jasnością wynoszącą 2,40x1034 cm-2s-1.
W ciągu najbliższych lat jasność 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 znaleść ciemną materię i rozpocząć badania jej właściwości.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
Fizycy pracujący przy najbardziej czułym eksperymencie poszukującym ciemnej materii poinformowali o zarejestrowaniu nietypowych sygnałów. Istnieją trzy możliwe interpretacje tego, co zauważono. Ta najmniej interesująca, to wystąpienie zanieczyszczenia. Dwie alternatywne są za to bardzo ekscytujące. Pierwsza z nich mówi o nieznanych właściwościach neutrin. Druga zaś – i to byłaby największa sensacja – dopuszcza, że po raz pierwszy w historii zdobyto dowód na istnienie aksjonu, hipotetycznej cząstki spoza Modelu Standardowego.
Jesteśmy bardzo podekscytowani tym sygnałem, ale musimy uzbroić się w cierpliwość, powiedział Luca Grandi z University of Chicago, jeden z liderów eksperymentu XENON1T. Jak wyjaśnia uczony, najpierw trzeba sprawdzić, czy nie doszło do zanieczyszczeniem atomami trytu. Wykaże to następca eksperymentu XENON1T – XENONnT – który rozpocznie pracę jeszcze w bieżącym roku.
Wielu specjalistów zauważa, że zwykle prawdziwe okazuje się to wyjaśnienie, na które najmniej czekamy. Jednak nie zawsze tak jest i jeśli istnieje chociaż cień szansy, że XENON1T zarejestrował coś więcej niż zanieczyszczenie trytem, warto to sprawdzić.
Jeśli okaże się, że to nowa cząstka, będziemy mieli przełom, na który czekamy od 40 lat, stwierdza Adam Falkowski z Uniwersytetu Paris-Saclay. Takiego odkrycia nie da się przecenić, dodaje. Z kolei Kathryn Zurek, fizyczka-teoretyczka z California Institute of Technology mówi, że jeśli sygnały pochodzą z aksjonów, które są głównymi kandydatami na cząstki tworzące ciemną materię, lub z niestandardowych neutrin to będzie to niezwykle ekscytujące. Uczona pozostaje jednak ostrożna i dodaje, że jej zdaniem najbardziej prawdopodobne jest jednak zanieczyszczenie trytem.
XENON1T to wspólny projekt, przy którym pracuje 160 naukowców z Europy, USA i Bliskiego Wschodu. Laboratorium Narodowe Gran Sasso, którego właścicielem jest włoski Narodowy Instytut Fizyki Jądrowej, znajduje się na głębokości 1400 metrów pod masywem Gran Sasso. To wykrywacz ciemnej materii, a jego umiejscowienie głęboko pod ziemią ma chronić przed promieniowaniem kosmicznym generującym fałszywe sygnały. Zgodnie z teoretycznymi założeniami, cząstki ciemnej materii mają zderzać się z atomami w detektorze, a sygnały ze zderzeń będą rejestrowane.
Centralna część XENON1T to cylindryczny zbiornik o długości 1 metra wypełniony 3200 kilogramami płynnego ksenonu o temperaturze -95 stopni Celsjusza. Gdy ciemna materia zderzy się z atomem ksenonu, energia trafia do jądra, które pobudza jądra innych atomów. Wskutek tego pobudzenia pojawia się słaba emisja w zakresie ultrafioletu, którą wykrywają czujniki na górze i na dole cylindra. Te same czujniki są też zdolne do zarejestrowania ładunku elektrycznego pojawiającego się wskutek zderzenia. W ubiegłym roku informowaliśmy, że XENON1T zarejestrował najrzadsze wydarzenie we wszechświecie, rozpad ksenonu-124.
Obecnie XENON1T jest wyłączony, gdyż trwa jego rozbudowa do XENONnT. Nowy detektor będzie zawierał 3-krotnie więcej ksenonu i będzie lepiej zabezpieczony przed szumem tła. Dzięki temu jego czułość będzie o cały rząd wielkości lepsza.
Eksperymenty z serii XENON to pomysł fizyczki Eleny Aprile z Columbia University. Ona opracowała metody detekcji i od początku stoi na czele eksperymentów. XENON zostały zaprojektowane do poszukiwania hipotetycznych cząstek ciemnej materii o nazwie WIMP (weakly interacting massive particles). Przez 14 lat niczego nie znaleziono. Brak sukcesów odnotowały też konkurencyjne projekty naukowe.
Wiele lat temu naukowcy pracujący przy XENON zdali sobie sprawę, że mogą wykorzystać swój eksperyment do poszukiwań cząstek inną metodą. Zamiast rejestrować cząstki, które zderzą się z jądrem ksenonu, można spróbować wychwycić takie, które zderzają się z elektronem. Zwykle tego typu zderzenia traktowane są jako szum tła i odfiltrowywane, gdyż wiele z takich sygnałów pochodzi z prozaicznych źródeł, jak ołów czy krypton. Jednak z czasem uczeni coraz bardziej udoskonalali swoje urządzenia, eliminowali coraz więcej źródeł potencjalnych zakłóceń i w końcu eksperymenty XENON stały się tak czułe i dobrze izolowane od zakłóceń, że stwierdzono, iż szum tła również może przynieść interesujące informacje.
I właśnie na nim się teraz skupiono. Naukowcy przeanalizowali szum tła z pierwszego roku eksperymentu XENON1T. Spodziewali się, że w danych znajdą 232 sygnały zderzeń z elektronami, pochodzące ze znanych źródeł zanieczyszczeń. Tymczasem okazało się, że sygnałów takich jest 285. To spory naddatek świadczący o istnieniu nieznanego źródła sygnału.
Naukowcy przez rok trzymali swoje spostrzeżenie w tajemnicy. Przez ten czas próbowali zrozumieć sygnały i odnaleźć ich źródło. W końcu, po wyeliminowaniu wszystkich możliwych źródeł sygnału pozostały wspomniane na wstępie trzy wyjaśnienia, które pasują do nadmiarowych danych.
Pierwsze z nich, i najbardziej interesujące, to zarejestrowanie „słonecznych aksjonów”, hipotetycznych cząstek ciemnej materii powstających wewnątrz Słońca. To cząstki spoza Modelu Standardowego. Ich odkrycie byłoby dowodem, że aksjony istnieją, można więc znaleźć i te, które tworzą ciemną materię, jaka powstała po Wielkim Wybuchu.
Druga hipoteza mówi, że zarejestrowane sygnały mogą świadczyć o tym, iż neutrino mają silny moment magnetyczny. Właściwość ta pozwalałaby im zwiększać rozpraszanie elektronów, co tłumaczyłoby nadmiarowy sygnał. Neutrino z momentem magnetycznym również nie mieści się w Modelu Standardowym.
W końcu trzecia z możliwości, to zanieczyszczenie zbiornika z ksenonem śladową ilością trytu.
Zdaniem naukowców niezaangażowanych w XENON1T, najbardziej prawdopodobna jest ostatnia odpowiedź. Jeśli bowiem Słońce tworzy aksjony, to powstają one również w innych gwiazdach. Aksjony unoszą zaś ze sobą energię od gwiazdy. W najgorętszych gwiazdach, jak czerwone olbrzymy czy białe karły, produkcja aksjonów powinna być największa, a ilość unoszonej przez nie energii powinna być wystarczająca, by ochłodzić gwiazdy. Biały karzeł wytwarzałby tyle aksjonów, że nie obserwowalibyśmy tak wielu gwiazd tego typu, co obecnie, mówi Zurek. Podobnie wygląda problem z neutrino z dużym momentem magnetycznym. Również ono powinno ochłodzić gwiazdy, więc tych gorących nie powinno być tyle, ile jest.
Na odpowiedź nie powinniśmy długo czekać. Eksperyment XENONnT ruszy w najbliższych miesiącach. Jeśli i tam zaobserwujemy nadmiar sygnałów na podobnym poziomie, powinniśmy w ciągu kilku miesięcy być w stanie stwierdzić, która z hipotez jest prawdziwa, mówi Grandi.
« powrót do artykułu
-
-
Recently Browsing 0 members
No registered users viewing this page.