האם גלאי הליום superfluid לעזור לנו סוף סוף למצוא חומר אפל?

Anonim

האם גלאי הליום superfluid לעזור לנו סוף סוף למצוא חומר אפל?

פיזיקה

מייקל אירווינג

2 בנובמבר 2017

3 תמונות

חומר אפל, שנאמר כי הוא מהווה 85% מכלל החומר ביקום, חמק מגילוי עד כה, אך גלאי חדש מאוניברסיטת בראון עשוי לעזור לנו למצוא אותו (קרדיט: טום אבל וראלף קאהלר (KIPAC, SLAC), AMNH)

למרות שהוא ממציא את כל מה שאנו רואים ונוגע סביבנו, החומר הרגיל מהווה רק כ -15% מכלל המסה של היקום. 85 האחוזים האחרים נחשבים כחומר אפל, חומר תיאורטי שאינו מקיים אינטראקציה עם החומר הרגיל, וחמק עד כה מאמצינו לאתר אותו ישירות. עכשיו, פיזיקאים מאוניברסיטת בראון הציעו דרך חדשה למצוא חומר אפל, באמצעות אמבט ענק של הליום במצב superfluid.

חומר אפל אינו אינטראקציה עם הכוח האלקטרומגנטי, כלומר זה לא לקלוט, לשקף או לפלוט אור. אז אם אנחנו לא יכולים לראות, לשמוע, להריח או לזהות חומר אפל אחרת, זה רק טבעי לשאול: איך אנחנו יודעים שהוא שם בכלל? נוכחותו מורגשת באמצעות השפעות הכבידה שלו, והמסה הנוספת שהיא מוסיפה מסייעת לחבר כמה חורים בהבנת התנועות של כוכבים וגלקסיות, עדשות כבידה וכיצד התפתח היקום.

מכיוון שחומר אפל אינו מזוהה ישירות, נערכים ניסויים כדי ללמוד עליו בעקיפין במקום זאת. זה יכול להיות מיוצר בהתנגשויות חלקיקים ב Collider Hadron גדול, בעוד המתקן לא היה מסוגל להכיל את זה, כל חומר אפל שנוצר היה לשאת את האנרגיה ואת המומנטום, המאפשר למדענים לזהות את החומר על ידי מיפוי זה חסר אנרגיה תנופה. חוקרים מאוניברסיטת נבאדה מנסים לעקוב אחר גלים של חומר אפל המרחף על פני כדור הארץ על ידי מעקב אחר דסינכרוניזציה בין שעונים אטומיים במסלול ובארץ.

אחד המבחנים הקפדניים ביותר, ניסוי קסנון גדול (LUX), הסתיים בשנה שעברה. LUX הכיל אמבט ענק של גז קסנון שנבנה במתקן 1 ק"מ (1.6 ק"מ) מתחת לאדמה כדי להפחית את ההפרעה מקרינה טבעית. הרעיון הוא שבמקרים נדירים, כאשר חלקיק חומר אפל נתקל באחת מחלקי הקסנון, יש להבחין באדוות הקטנות מהתנגשות. לרוע המזל, הניסוי ניהל את הקורס בן 20 חודשים ללא אירוע אחד כזה.

אי גילוי כל חומר אפל אינו אומר שהמבחן היה חזה: במקום זאת, הוא עוזר לצמצם את טווח ההמונים שחומר אפל עלול לקרות. למרות שהחומר האפל "חלקיקים " יכול להכיל מסה ענקית כמו כוכב גמד, LUX חיפש במפורש את ההמונים יותר מפי חמישה מזה של פרוטון. היבוא בידיים ריקות עשוי להצביע על כך שהמסה שלו קטנה יותר מכפי שהמכשיר יכול לזהות - וזה המקום שבו נכנסת המערכת החומה החדשה.

"רוב החיפושים החשוכים של חומר אפל עד כה חיפשו אחר חלקיקים בעלי מסה במקום שבין 10 ל -10, 000 פעמים את המסה של פרוטון", אומר דרק שטיין, ממחברי מאמר המתאר את הגלאי החדש. "מתחת ל -10 מסות פרוטון, הניסויים האלה מתחילים לאבד את הרגישות שלהם, מה שאנחנו רוצים לעשות זה להרחיב את הרגישות כלפי מטה במסה על ידי שלושה או ארבעה סדרי גודל ולחקור את האפשרות של חלקיקי חומר אפל שהם הרבה יותר קלים."

כדי לעשות זאת, המערכת החדשה תשתמש טנק של הליום superfluid במקום קסנון. המחשבה היא שאם הגרעין של האטומים במיכל גדול יותר מחלקיקי החומר האפל, אזי החומר האפל היה פשוט קופץ מבלי להפריע לחלקיק הגלאי. מאז הגרעין של קסנון הוא כ -100 המוני פרוטון, זה מגביל את האור כמה חלקיקים נכנסים יכול להיות עדיין זוהה. הליום, לעומת זאת, יש מסת גרעיני של רק ארבעה המוני פרוטון, להרחיב את הרגישות שלה חלקיקים קלים.

למעשה, החוקרים בראון אומרים העיצוב שלהם יוכלו לזהות חלקיקים בין 1, 000 ל 10, 000 פעמים קל יותר מאשר ניסויים קודמים יכול להרים. השימוש בהליום הוא רק חלק מהשיפור: המכשיר תוכנן בחוכמה כדי להגביר אות מאטום יחיד.

אם חלקיק חומר אפל מתנגש באטום הליום, הוא יוצר גירויים דמויי גל דמויי פונונים ורוטונים. אלה היו נוסעים דרך superfluid unimpeded עד שהם מגיעים אל פני השטח, משחרר אטומי הליום לתוך ואקום מעל הנוזל.

יש שם מערך של סיכות מתכת קטנות, טעונות בחיוב חיובי, וכאשר הליום מתקרב לאחת מהן, הוא הופך את האטום ליון הליום טעון בחיוב. החלק הגאוני הוא שבגלל ששניהם טעונים עכשיו בצורה חיובית, היון יידחף, ויוריד מספיק אנרגיה כדי שיזהו אותו בקלות על ידי קלורימטר.

"אם נשים 10, 000 וולט על הסיכות הקטנות האלה, אז יון זה הולך לטוס משם עם 10, 000 וולט על זה, " אומר המפרי מאריס, ממחברי המחקר. "אז זה זה תכונה יינון זה נותן לנו דרך חדשה לזהות רק אטום הליום יחיד שיכול להיות קשורה אינטראקציה חומר אפל." "

המערכת היא עדיין רק הצעה בשלב זה, החוקרים אומרים כי לפני זה יכול להיות בנוי ולהפעיל, הם הראשונים צריכים להתנסות עם הדינמיקה של הליום superfluid וכיצד הרעיון שלהם יינון סיכה יכול לעבוד.

המחקר פורסם בכתב העת Physical Review Letters .

מקור: אוניברסיטת בראון

תרשים המראה כיצד פועל גלאי אוניברסיטת בראון: כאשר חלקיק חומר אפל מתנגש באטום של הליום, הוא יוצר אדוות דרך האטמוספירה העל-קולית ומפיל אטומי הליום אל תוך הוואקום הנ"ל, אשר לאחר מכן מיונן על ידי מערך של סיכות כדי להגביר את האות ( אשראי: מאריס / סיידל / שטיין / אוניברסיטת בראון)

חומר אפל, שנאמר כי הוא מהווה 85% מכלל החומר ביקום, חמק מגילוי עד כה, אך גלאי חדש מאוניברסיטת בראון עשוי לעזור לנו למצוא אותו (קרדיט: טום אבל וראלף קאהלר (KIPAC, SLAC), AMNH)

מאז החומר האפל לא יכול להיות מזוהים ישירות, ניסויים נערכים כדי ללמוד על זה בעקיפין במקום (אשראי: sakkmesterke / Depositphotos)

רוצה מנקה, טעינה מהירה יותר המודעה ניסיון קריאה חינם?
נסה אטלס פלוס חדש. הירשם עכשיו רק עבור US $ 19 בשנה.