Neutrino Alley’deki bir mahzende karanlık madde avlayın

Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim adamları, nötrino dedektörlerinin hassasiyetini kullanarak parlak bir şekilde aydınlatılmış bir bodrum koridorunda karanlık maddeyi gözlemlemeye çalıştı. Ekibin çalıştığı Neutrino Alley, güçlü bir parçacık hızlandırıcı olan Spallation Neutron Source’un altında bulunuyor. COHERENT ekibi, yıllarca süren teorik hesaplamalardan sonra, evrenin kütlesinin %85’ini oluşturduğu düşünülen karanlık maddeyi gözlemlemek için yola çıktı. Deney, ekibin karanlık madde için küresel aramayı yeni bir şekilde genişletmesine izin verdi ve karanlık madde parçacıklarını yakalama şanslarını artırmak için daha büyük, daha hassas bir dedektör almayı planlıyorlar.

Çok az şey karanlık madde kadar aynı gizem havasını taşır. Adın kendisi, evrenin gölgelerinde saklı bir şeyi akla getiren bir gizlilik yayar.

Bilim adamlarından oluşan işbirlikçi bir ekip olarak adlandırıldı tutarlıAralarında Seçkin Sanat ve Bilim Fiziği Profesörü Kate Schulberg, Fizik Doçenti Philip Barbeau ve doktora sonrası araştırmacı Daniel Berchie de dahil olmak üzere, karanlık maddeyi evrenin gölgelerinden daha az çekici bir yere, parlak bir şekilde aydınlatılmış bir yere getirmeye çalıştılar. , sıkışık bodrum koridoru.

Sıradan bir mahzen değil ama. Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nın Neutrino Alley lakaplı bir bölgesinde çalışan ekip, genellikle nötrino adı verilen atom altı parçacıklara odaklanıyor. Yıldızlar öldüğünde ve süpernovaya dönüştüğünde veya Dünya’ya daha yakın bir seviyede parçacık hızlandırıcılarda çarpışan protonların bir yan ürünü olarak üretilirler.

Evrendeki maddenin %85’ini oluşturan görünmez madde olan karanlık madde, galaksiler arasında çok uzaklarda saklı değildir. Bilim adamlarından oluşan bir ekip, onu gölgelerden çıkarmaya çalışıyor. Kredi: Röntgen: NASA/CXO/Fabian ve ark. ; Radyo: Gendron-Marsolais ve ark. ; NRAO/AUI/NSF Optik: NASA, SDSS

Tesadüf değil, Neutrino Alley doğrudan dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcılarından biri olan Oak Ridge’in altında bulunuyor. Spallasyon nötron kaynağı (SNS). Neutrino Alley, nötrinoları geçerken ve onlarla çarpışırken izlemek için özel olarak tasarlanmış bir dedektör koleksiyonuna sahiptir.

Ancak nötrinolar, SNS işlemlerinin tek yan ürünü değildir. Karanlık madde (kötü adamın en sevdiği antimadde ile karıştırılmamalıdır), parçacık hızlandırıcılar protonları birbirine çarptığında da üretilir. Yıllarca süren teorik hesaplamalardan sonra COHERENT ekibi, Neutrino Alley’deki karanlık maddeyi izlemek için SNS’nin gücünü ve nötrino dedektörlerinin hassasiyetini kullanmak üzere yola çıktı.

Schulberg, “Ve bunu görmedik” diyor. “Elbette görmüş olsaydık daha heyecanlı olurdu ama görememek aslında büyük bir problem.”

Karanlık maddenin nötrino detektörleri tarafından tespit edilmemesinin, karanlık maddenin neye benzediğine dair teorik modelleri geliştirmesine olanak sağladığını açıkladı.

“Karanlık maddenin belirli özelliklere sahip olması durumunda bir karanlık madde detektörünün nasıl tepki vereceğini tam olarak biliyoruz, bu yüzden bu özel imzayı arıyorduk.”

Kate Schulberg, ortak yazar Grayson Rich ve Philip Barbeau. Kredi bilgileri: Long Li/Duke Üniversitesi

Söz konusu parmak izi, nötrino detektöründeki atomların çekirdeklerinin bir nötrinoya veya bu durumda bir karanlık madde parçacığına çarptığında sekme şeklidir.

Berchie, “Bir buz parçası üzerindeki bowling topuna mermi atmak gibi,” dedi. Onun analojisinde bowling topları, bu deneyde 14.6 kg sezyum iyodür kristali olan nötrino detektöründeki atomlardır. “Bovling topunun temas halinde ne kadar yükseğe sıçradığına bakarak, sapan ve fırlattığınız kuvvet hakkında çok şey söyleyebilirsiniz.”

Karanlık madde söz konusu olduğunda, herhangi bir bilgi iyi bilgidir. Kimse gerçekte ne olduğunu bilmiyor. Neredeyse 100 yıl önce fizikçiler, evrenin görebildiğimiz her şeyi içerdiği takdirde, bu şekilde davranamayacağını fark ettiler.

Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki Neutrino Araştırma Grubu başkanı ve çalışmanın ortak yazarı Jason Newby, “Karanlık madde denizinde yüzüyoruz” dedi. Fizikçilerin fikir birliği, karanlık maddenin evrenin kütlesinin %85’ini oluşturduğu yönündedir. Evrenin davranışını açıklamak için yerçekimine maruz kalması gerekir, ancak herhangi bir ışık veya elektromanyetik dalga ile etkileşime girmez ve karanlık görünür.

Jason Newby ve ortak yazar Yuri Efremenko, Neutrino Alley’de karanlık madde aramak için kullanılan çok küçük 14,6 kg sezyum iyodür nötrino dedektörünü taşıyor. Kredi: Genevieve Martin/Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, ABD Enerji Bakanlığı

Birchi, “Bunu, birbirlerinin yörüngesinde dönen büyük galaksilere bakarak öğrendik ve olması gerekenden çok daha hızlı döndüklerini gördük, bu da göründüklerinden daha fazla kütleye sahip oldukları anlamına geliyor.” Dedi. “Dolayısıyla, orada ek şeyler olduğunu biliyoruz, sadece onları nerede arayacağımızı bilmemiz gerekiyor.”

“Çoğu zaman sonuç alamasak da, her yere bakmanız gerçekten önemlidir ve ardından bir dizi olasılığı göz ardı edebilir ve sadece ‘duvardaki spagetti’yi kullanmak yerine strateji ile yeni bir alana odaklanabilirsiniz. Yaklaş,” dedi Newby.

Daniel Berchi. Kredi bilgileri: Duke Üniversitesi

Schulberg, “Karanlık madde için var olabilecek tüm modellere erişimimizi genişletiyoruz ve bu çok güçlü” dedi.

Ve başarı burada bitmiyor, diyor: Deney aynı zamanda ekibin karanlık madde için küresel aramayı yeni bir şekilde genişletmesine de izin verdi.

Berchi, “Tipik algılama tekniği, yer altına inmek, çok hassas bir dedektör oluşturmak ve karanlık madde parçacıklarının geçmesini beklemektir.” Dedi.

sorun? Karanlık madde parçacıkları havada sessizce hareket ediyor olabilir. Aynı zamanda çok hafifse, algılanabilir bir parmak izi oluşturmak için yeterli güçle dedektöre ulaşmayabilir.

COHERENT ekibinin deney düzeneği bu sorunu giderir.

Berchi, “Hızlandırıcıya girdiğinizde, bu parçacıkları önemli ölçüde daha yüksek enerjide üretirsiniz” dedi. Bu onlara çok şey katıyor yer çekimi çekirdekleri vurmak ve karanlık madde sinyalini göstermek için. “

Peki şimdi ne olacak? Çizim tahtasına tam olarak geri dönülmedi. Neutrino Alley şu anda COHERENT’in rafine arama kriterleriyle birlikte bu iblis parçacıklarından birini yakalama şansını büyük ölçüde artıracak daha büyük, daha hassas bir dedektör almaya hazırlanıyor.

Birchi, “Karanlık maddenin olması gereken yerin eşiğindeyiz” dedi.

Referans: “SNS’de COHERENT CsI detektörü kullanılarak kozmolojik tahminlerin ötesinde ilk Sub-GeV karanlık madde probu”, D. Akimov ve diğerleri. 3 Şubat 2023 Fiziksel inceleme mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803