Tajemnicze sygnały w detektorze ciemnej materii. Fizycy proponują ekscytujące wyjaśnienia
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
W detektorze XENON1T we włoskim Laboratorium Narodowym Gran Sasso zarejestrowano, po raz pierwszy w historii, rozpad atomu ksenonu-124. Doszło do niego w formie podwójnego wychwytu elektronu. To niezwykle rzadkie wydarzenie. Okres połowicznego rozpadu tego pierwiastka jest bowiem... bilion razy dłuższy niż wiek wszechświata. To wyjaśnia, dlaczego zaobserwowanie tego procesu jest tak wyjątkowym wydarzeniem.
Fakt, że byliśmy w stanie bezpośrednio obserwować ten proces pokazuje, jak potężnymi metodami detekcji dysponujemy. Sprawdzają się one również w przypadku sygnałów, które nie pochodzą z czarnych dziur, mówi profesor Christian Weinheimer z Uniwersytetu w Münster, który stał na czele grupy badawczej.
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.
Wyniki uzyskane przez grupę Weinheimera dowodzą, że XENON1T jest też zdolny do rejestrowania innych rzadkich zjawisk fizycznych, takich jak podwójny wychwyt elektronu.
Jądro atomowe zawiera protony o ładunku dodatnim oraz obojętne neutrony. Całość otoczona jest elektronami, których ładunek jest ujemny. Jądro ksenonu-124 zawiera 54 protony i 70 neutronów. W procesie podwójnego wychwytu elektronów dwa protony jednocześnie przechwytują dwa elektrony, w wyniku czego powstały dwa neutrony i zostały wyemitowane dwa neutrino. Pozostałe elektrony przeorganizowują się tak, by uzupełnić luki spowodowane wychwyceniem elektronów na najbardziej wewnętrznej powłoce. Energia uwolniona w całym tym procesie jest przenoszona przez promieniowanie rentgenowskie oraz elektrony Augera.
Podwójny wychwyt elektronu to niezwykle rzadki proces rozpadu. Można go zaobserwować dla tych nielicznych pierwiastków, dla których inne rodzaje rozpadu są praktycznie niemożliwe. Jakby jeszcze tego było mało, same sygnały tego procesu jest bardzo trudno wykryć, gdyż są one schowane we wszechobecnych sygnałach naturalnej radioaktywności.
Udało się to jednak w detektorze XENON1T. Promienie rentgenowskie z podwójnego wychwytu elektronu wygenerowały w płynnym ksenonie sygnał świetlny. Pojawiły się też wolne elektrony. Elektrony te przesunęły się w stronę wypełnionej gazem górnej części cylindra, gdzie wygenerowały kolejny sygnał świetlny. Różnica w czasie pomiędzy pojawieniem się obu sygnałów świetlnych odpowiadała czasowi, jaki elektrony potrzebowały, by dotrzeć do góry detektora. Naukowcy wykorzystali te informacje do odnalezienia miejsca, w którym doszło do podwójnego wychwytu elektronu. Z siły sygnałów wyliczono też energię uwolnioną w tym procesie.
Wszystkie sygnały zarejestrowano w czasie dłuższym niż rok. Jednak rozpatrywanie ich z osobna nie pozwoliło na zauważenie zjawiska, które miało miejsce. Dlatego też sama rejestracja sygnałów nie wystarczała. O tym, że doszło do podwójnego wychwytu elektronów, procesu świadczącego o rozpadzie ksenonu-124 uczeni dowiedzieli się dopiero po ukończeniu wszystkich analiz. Dopiero po tym i po sprawdzeniu danych z regionu, w którym zaszło wspomniane zjawisko, można było jednoznacznie stwierdzić, że 126 elementów znajdujących się w zarejestrowanych danych zostało wywołanych podwójnym wychwytem elektronu w jądrze ksenonu-124.
Na podstawie uzyskanych danych naukowcy wyliczyli, że okres połowicznego rozpadu ksenonu-124 wynosi 1,8x1022 lat. Jest to najwolniejszy proces, jaki kiedykolwiek bezpośrednio zaobserwowano.
Ksenon-124 nie jest jednak rekordzistą pod tym względem. Wiadomo, że jeszcze dłuższy okres połowicznego rozpadu ma tellur-128. Tego zjawiska nigdy jednak bezpośrednio nie zaobserwowano, a okres półrozpadu tego pierwiastka wyliczono pośrednio z innego procesu.
XENON1T zbierał dane do grudnia 2018 roku. Wtedy to został wyłączony i obecnie jest rozbudowywany do urządzenia XENONnT. Znajdzie się w nim trzykrotnie więcej płynnego ksenonu niż obecnie, a urządzenie zostanie też lepiej zabezpieczone przez szumem tła. Dzięki temu stanie się ono czulsze o cały rząd wielkości.
« 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
Po 10 latach pionierskiej pracy naukowcy z amerykańskiego SLAC National Accelerator Laboratory ukończyli wykrywacze ciemnej materii SuperCDMS. Dwa pierwsze trafiły niedawno do SNOLAB w Ontario w Kanadzie. Będą one sercem systemu poszukującego dość lekkich cząstek ciemnej materii. Urządzenia mają rejestrować cząstki o masach od 1/2 do 10-krotności masy protonu. W tym zakresie będzie to najbardziej czuły na świecie wykrywacz ciemnej materii.
Twórcy detektorów mówią, że przy ich budowie wiele się nauczyli i stworzyli wiele interesujących technologii, w tym elastyczne kable nadprzewodzące, elektronikę działającą w ekstremalnie niskich temperaturach czy lepiej izolowane systemy kriogeniczne, dzięki czemu całość jest znacznie bardziej czuła na ciemną materię. A dodatkową zaletą całego eksperymentu jest jego umiejscowienie 2 kilometry pod ziemią, co pozwoli na wyeliminowanie znaczniej części zakłóceń ze strony promieniowania kosmicznego. SNOLAB i SuperCDMS są dla siebie stworzone. Jesteśmy niesamowicie podekscytowani faktem, że detektory SuperCDMS mają potencjał, by bezpośrednio zarejestrować cząstki ciemnej materii i znacząco zwiększyć nasza wiedzę o naturze wszechświata, mówi Jodi Cooley, dyrektor SNOLAB. Zrozumienie ciemnej materii to jedno z najważniejszych zadań nauki, dodaje JoAnne Hewett ze SLAC.
Wiemy, że materia widzialna stanowi zaledwie 15% wszechświata. Cała reszta to ciemna materia. Jednak nikt nie wie, czym ona jest. Wiemy, że istnieje, gdyż widzimy jej oddziaływanie grawitacyjne z materią widzialną. Jednak poza tym nie potrafimy jej wykryć.
Eksperyment SuperCDMS SNOLAB to próba zarejestrowania cząstek tworzących ciemną materię. Naukowcy chcą w nim wykorzystać schłodzone do bardzo niskich temperatur kryształy krzemu i germanu. Stąd zresztą nazwa eksperymentu – Cryogenic Dark Matter Search (CDMS). Uczeni mają nadzieję, że w temperaturze o ułamek stopnia wyższej od zera absolutnego uda się zarejestrować wibracje kryształów powodowane interakcją z cząstkami ciemnej materii. Takie kolizje powinny zresztą wygenerować pary elektron-dziura, które – przemieszczając się w krysztale – wywołają kolejne wibracje, wzmacniając w ten sposób sygnał.
Żeby jednak tego dokonać, detektory muszą zostać odizolowane od wpływu czynników zewnętrznych. Dlatego też eksperyment będzie prowadzony w SNOLAB, laboratorium znajdującym się w byłej kopalni niklu, ponad 2000 metrów pod ziemią.
Stopień trudności w przeprowadzeniu tego typu eksperymentów jest olbrzymi. Nie tylko bowiem konieczne było stworzenie nowatorskich wykrywaczy, co wymagało – jak już wspomnieliśmy – 10 lat pracy. Wyzwaniem był też... transport urządzeń. Aby chronić je przed promieniowaniem kosmicznym, należało jak najszybciej dostarczy je z USA do Kanady. Oczywiście na myśl przychodzi przede wszystkim transport lotniczy. Jednak im wyżej się wzniesiemy, tym cieńsza warstwa atmosfery nas chroni, zatem tym więcej promieniowania kosmicznego do nas dociera.
Wybrano więc drogę lądową, ale... naokoło. Pomiędzy Menlo Park w Kalifornii, gdzie powstały wykrywacze, a kanadyjską prowincją Ontario znajdują się Góry Skaliste. Ciężarówka z wykrywaczami musiałaby więc wjechać na sporą wysokość nad poziomem morza, co wiązałoby się z większym promieniowaniem docierającym do detektorów. Dlatego też jej trasa wiodła na południe, przez Teksas. Już następnego dnia po dotarciu do Ontario urządzenia zostały opuszczone pod ziemię, gdzie czekają na instalację. Jeszcze w bieżącym roku do Kanady trafią kolejne SuperCDMS, a wstępne przygotowania do uruchomiania laboratorium mają zakończyć się w 2024 roku. Naukowcy mówią, że po 3-4 latach pracy laboratorium powinno zebrać na tyle dużo danych, że zdobędziemy nowe informacje na temat ciemnej materii.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.