Ciemną materię tworzą czarne dziury? Obliczenia dodają skrzydeł odrzuconej koncepcji Hawkinga
-
Similar Content
-
Chiński wykrywacz ciemnej materii potwierdza, że tajemnicze sygnały mogą świadczyć o ważnym odkryciuBy KopalniaWiedzy.pl
Dane z chińskiego detektora cząstek PandaX-II mogą wskazywać, że w ubiegłym roku eksperyment XENON1T zarejestrował sygnały świadczące o odkryciu nieznanych zjawisk fizycznych. Jak informowaliśmy, XENON1T zarejestrował dziesiątki nietypowych sygnałów, które można było interpretować na trzy sposoby. Najbardziej banalna z interpretacji to wystąpienie zanieczyszczenia, dwie pozostałe interpretacje to możliwe odkrycie nowych zjawisk, w tym przełomowe odkrycie cząstek ciemnej materii.
Chińskie PandaX-II uzyskało właśnie dane, które mogą potwierdzać, że nie mamy do czynienia z zanieczyszczeniem, a rzeczywistym odkryciem.
Znajdujący się we Włoszech XENON1T został zbudowany z myślą o poszukiwaniu słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP), które mają stanowić ciemną materię. W czerwcu ubiegłego roku naukowcy pracujący przy tym eksperymencie poinformowali o zaobserwowaniu 53+/-15 sygnałów, których nie potrafili wyjaśnić. Jako że nie byli w stanie podać jednej możliwej interpretacji, zaproponowali cztery wyjaśnienia.
Najbardziej banalne to rozpad beta trytu, który mógł zanieczyścić ksenon używany w detektorze. Trzy pozostałe interpretacje są już bardziej interesujące. Sygnały mogły być wywołane obecnością nowego typu neutrina, tworzących ciemną materię aksjonów ze Słońca albo też obecnością bozonowej ciemnej materii. Uczeni wyliczyli też prawdopodobieństwo dla wszystkich czterech interpretacji i uznali, że najmniej prawdopodobne, bo wynoszące 3,0 sigma, jest zarejestrowanie bozonowej ciemnej materii. Z kolei prawdopodobieństwo zanieczyszczenia trytem oraz odkrycia nowego neutrina wyliczono na 3,2 sigma. Najbardziej zaś prawdopodobne – szacowane na 3,4 sigma – jest odkrycie słonecznych aksjonów.
Informacja o sygnałach z XENON1T wywołała spore poruszenie. Naukowcy zabrali się do pracy, próbując wyjaśnić obserwowane zjawiska. Na przykład fizycy teoretyczni zaproponowali kilka interesujących rozwiązań problemu dotyczącego aksjonów słonecznych. Gdyby bowiem rzeczywiście one istniały, to białe karły powinny mieć mniejszą jasność, niż mają.
Jednymi z naukowców, którzy postanowili bliżej przyjrzeć się danym z XENON1T, byli uczeni z Uniwersytetu Jiao Tong z Szanghaju, na czele których stał Jianglai Liu. Chińczycy użyli do swoich badań detektora PandaX-II z Jinping Underground Laboratory w Syczuanie. Chociaż zawiera on nieco ponad 0,5 tony ksenonu (dla porównania, XENON1T korzysta z 3,2 tony), to uczeni z Państwa Środka prowadzili swoje badania dłużej, dzięki czemu uzyskali tylko o połowę danych mniej niż uczeni pracujący przy XENON1T.
Naukowcy pracujący przy PandaX-II mają pewną przewagę. Dzięki przeprowadzonej w odstępie 3 lat kalibracji z użyciem metanu, są w stanie lepiej scharakteryzować sygnały generowane w ich urządzeniu przez tryt zanieczyszczający ksenon.
Przeprowadzony przez nich eksperyment zwiększył prawdopodobieństwo, że XENEN1T dokonał rzeczywistego odkrycia. Wciąż nie wiadomo, czym jest to odkrycie. Ponadto Chińczycy nie byli w stanie z całą pewnością wykluczyć, że nie doszło do zanieczyszczenia.
Obecnie w Chinach trwają prace nad zwiększeniem czułości PandaX-II. Masa urządzenia zostanie zwiększona do 6 ton, w tym masa samego ksenonu wyniesie 4 tony. Nowe urządzenie, PandaX-4%, rozpocznie pracę jeszcze w bieżącym roku. Również w bieżącym roku ma ruszyć zmodernizowany 8,3-tonowy XENOnT, a w USA rozpoczyna właśnie pracę 10-tonowy LUX-ZEPLIN.
Dzięki nowym, większym i bardziej czułym detektorom powinniśmy w niedługim czasie dowiedzieć się, co tak naprawdę zarejestrował XENON1T.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
Astrofizycy badają czarne dziury, które mogły utworzyć się we wczesnym wszechświecie, jeszcze przed powstaniem gwiazd i galaktyk. Takie pierwotne czarne dziury (PBH) mogły zawierać cała ciemną materię, być odpowiedzialne za niektóre obserwowane fale grawitacyjne oraz stać się zarodnikami dla supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk. Projekt badania PHB prowadzony jest na Kavli IPMU (Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe).
Pierwotne czarne dziury mogły brać udział w syntezie ciężkich pierwiastków, do której dochodziło, gdy zderzały się one z gwiazdami neutronowymi i niszczyły je, uwalniając materiał bogaty w neutrony. Nie można wykluczyć, że to PBH zawierają większość ciemnej materii. Trzeba tutaj przypomnieć, że w bieżącym roku Nagrodę Nobla z fizyki przyznano właśnie za badanie czarnych dziur.
Wśród scenariuszy związanych z pierwotnymi czarnymi dziurami jest i taki, który mówi, że PBH mogły tworzyć się z „wszechświatów pochodnych” powstających podczas szybkiego rozszerzania się wszechświata. W tym czasie z naszego wszechświata mogły „odrywać się” inne niewielkie wszechświaty, które zapadały się w sobie. Uwalniana przy tym olbrzymia ilość energii mogła prowadzić do pojawiania się czarnych dziur.
Jeszcze inny scenariusz przewidziany jest, gdy taki „wszechświat pochodny” ma masę powyżej pewnej krytycznej granicy. Wówczas, zgodnie z einsteinowską teorią grawitacji, wszechświat taki może istnieć w stanie, które jest różny dla obserwatorów z zewnątrz i wewnątrz. Dla obserwatora z wewnątrz jest to rozszerzający się wszechświat, podczas gdy obserwator zewnętrzny widzi czarną dziurę. W obu przypadkach i duże i małe „wszechświaty pochodne” są z zewnątrz widoczne jako pierwotne czarne dziury, których struktura jest ukryta poza horyzontem zdarzeń.
Naukowcy z Kavli Institute opisali nowy scenariusz powstawania PBH i twierdzą, że czarne dziury pasujące do tego scenariusza można znaleźć za pomocą Hyper Suprime-Cam (HSC) na Teleskopie Subaru.
HSC ma unikatową zdolność do obrazowania całej Galaktyki Andromedy co kilka minut. Jeśli pomiędzy HSC a jedną z gwiazd Andromedy znajdzie się czarna dziura, doprowadzi ona do zagięcia światła i przez krótki czas gwiazda będzie się wydawała jaśniejsza. Długość trwania tego pojaśnienia pozwala na szacowanie masy czarnej dziury. Dzięki HSC można jednocześnie obserwować 100 milionów gwiazd, dzięki czemu istnieje spora szansa na zaobserwowanie czarnej dziury.
HSC zaobserwowała już zresztą zjawisko, które mogą być wydarzeniami zgodnymi z hipotezą o PBH i wielu wszechświatach. Wiele wskazuja na to, że zarejestrowano czarną dziurę o masie porównywalnej z masą Księżyca. Nowe obserwacje w połączeniu z nowmi hipotezami spowodowały, że naukowcy z Kavli bardziej szczegółowo przyglądają się wynikom uzyskanym z HSC.
« powrót do artykułu -
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
-
-
Recently Browsing 0 members
No registered users viewing this page.