Bu çizim, bir karanlık madde parçacığını temsil ediyor. Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim adamları, Neutrino Alley’deki nötrino dedektörlerini kullanarak bu yakalanması zor parçacıkları gözlemlemeye çalıştılar.
Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim adamları, bodrum katında parlak bir şekilde aydınlatılmış bir koridorda karanlık maddeyi kullanarak karanlık maddeyi gözlemlemeye çalıştılar. nötrino dedektörlerinin hassasiyeti. Ekibin çalıştığı Neutrino Alley, güçlü bir parçacık hızlandırıcı olan Spallation Neutron Source’un altında bulunuyor. COHERENT ekibi, yıllarca süren teorik hesaplamaların ardından, Evrenin kütlesinin %85’ini oluşturduğuna inanılan karanlık maddeyi gözlemlemek için yola çıktı. Deney, ekibin dünya çapındaki karanlık madde aramasını yeni bir yöntemle genişletmesine olanak sağladı ve karanlık madde parçacıklarını yakalama şanslarını artırmak için çok daha büyük ve daha hassas bir dedektör almayı planlıyorlar.
Taşınabilecek çok az şey var karanlık madde ile aynı gizem havası. Adın kendisi bir gizlilik saçıyor ve Evrenin gölgelerinde gizlenmiş bir şeyi akla getiriyor.
COHERENT adlı, Kate Scholberg, Arts & Sciences Seçkin Fizik Profesörü, Phillip Barbeau da dahil olmak üzere ortak çalışan bilim adamlarından oluşan bir ekip , fizik doçenti ve doktora sonrası akademisyen Daniel Pershey, karanlık maddeyi Evrenin gölgelerinden biraz daha az çekici bir yere, yani bir bodrum katındaki parlak ışıklı, dar bir koridora getirmeye çalıştı.
Bir değil sıradan bodrum olsa da. Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nın Neutrino Alley adlı bir bölgesinde çalışan ekip, tipik olarak nötrino adı verilen atom altı parçacıklara odaklanıyor. Yıldızlar ölüp süpernovaya dönüştüğünde veya Dünya’ya daha yakın bir düzeyde, parçacık hızlandırıcılardaki proton çarpışmalarının bir yan ürünü olarak üretilirler.
Kara madde, Evrenin maddesinin %85’ini oluşturan görünmez şeyler, sadece galaksiler arasında saklı değildir. Bilim adamlarından oluşan bir ekip onu gölgelerden çıkarmaya çalışıyor. Kredi: Röntgen: NASA/CXO/Fabian ve diğerleri; Radyo: Gendron-Marsolais ve diğerleri; NRAO/AUI/NSF Optik: NASA, SDSS
Neutrino Yolu, dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcılarından biri olan Oak Ridge’in Spallation Nötron Kaynağının (SNS) hemen altında yer alması tesadüf değildir. . Neutrino Alley, nötrinoları geçerken ve onlarla çarpışırken gözlemlemek için özel olarak tasarlanmış bir dedektör koleksiyonuna sahiptir.
Ancak nötrinolar, SNS operasyonlarının tek yan ürünü değildir. Karanlık madde (filmin kötü adamının favori anti-maddesi ile karıştırılmamalıdır), parçacık hızlandırıcılar protonları birbirine çarptığında da üretilir. Yıllar süren teorik hesaplamaların ardından COHERENT ekibi, Neutrino Alley’deki karanlık maddeyi gözlemlemek için hem SNS’nin gücünden hem de nötrino dedektörlerinin hassasiyetinden yararlanmak üzere yola çıktı.
“Ve biz görmedik, ”diyor Scholberg. “Elbette görmüş olsaydık daha heyecan verici olurdu ama görmemek aslında çok önemli.”
Kara maddenin nötrino dedektörleri tarafından gözlemlenmediğini açıklıyor. karanlık maddenin neye benzediğine dair teorik modelleri büyük ölçüde iyileştirmelerine olanak tanıyor.
“Karanlık maddenin belirli özellikleri olsaydı, dedektörün karanlık maddeye nasıl tepki vereceğini tam olarak biliyoruz, bu yüzden o özel parmak izini arıyorduk.”
Kate Scholberg, ortak yazar Grayson Rich ve Philip Barbeau. Kredi: Long Li /Duke Üniversitesi
Söz konusu parmak izi, nötrino detektöründeki atomların çekirdeklerinin bir nötrino veya bu durumda bir karanlık madde tarafından vurulduğunda geri tepme şeklidir. parçacık.
“Bir buz tabakası üzerindeki bowling topuna mermi atmak gibi,” dedi Pershey. Onun analojisinde bowling topları, bu deneyde 14,6 kg sezyum iyodür kristali olan nötrino detektöründe bulunan atomlardır.Kimse gerçekten ne olduğunu bilmiyor. Neredeyse 100 yıl önce fizikçiler, evrenin görebildiğimiz şeylerden ibaret olması durumunda Evren’in eskisi gibi davranamayacağını fark ettiler.
“Kara madde denizinde yüzüyoruz,” dedi Jason. Newby, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda nötrino araştırmaları için grup lideri ve çalışmanın ortak yazarı. Fizikçiler arasındaki fikir birliği, karanlık maddenin Evrenin kütlesinin %85’ini oluşturduğu yönündedir. Evrenin davranışını açıklamak için yerçekimine tabi olması gerekir, ancak karanlık görünen herhangi bir ışık veya elektromanyetik dalga ile etkileşime girmez.
Jason Newby ve ortak yazar Yuri Efremenko Neutrino Alley’de karanlık madde aramak için kullanılan oldukça küçük 14,6 kg sezyum iyodür nötrino dedektörünü tutun. Kredi: Genevieve Martin/Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, ABD Enerji Bakanlığı
“Bunu, birbirleri etrafında dönen büyük galaksilere bakarak, olması gerekenden çok daha hızlı döndüklerini görerek öğrendik. Pershey, göründüklerinden daha fazla kütleye sahip olduklarını ima ediyor” dedi. “Yani, dışarıda fazladan şeyler olduğunu biliyoruz, sadece onu nerede arayacağımızı öğrenmemiz gerekiyor.”
“Çoğunlukla sonuç alamasak da,” dedi Newby, “bu gerçekten bakabildiğiniz her yere bakmanız ve ardından bir dizi olasılığı göz ardı edebilmeniz ve yalnızca ‘duvardaki spagetti’ yaklaşımını kullanmak yerine stratejiyle yeni bir alana odaklanabilmeniz önemlidir.”
Daniel Pershey. Kredi: Duke Üniversitesi
Scholberg, “Karanlık madde için hangi modellerin var olabileceği konusunda erişimimizi genişletiyoruz ve bu çok güçlü bir şey” dedi.
Başarısının, bununla da kalmıyor: Deney, ekibin dünya çapındaki karanlık madde araştırmasını yeni bir yöntemle genişletmesine de olanak sağladı.
“Tipik tespit teknolojisi, yer altına inmek, çok hassas bir dedektör inşa etmek ve bu karanlık madde parçacıkları içinden geçip gidiyor,” dedi Pershey.
Sorun mu? Karanlık madde parçacıkları havada oldukça yavaş hareket ediyor olabilir. Ayrıca çok hafif olmaları halinde, algılanabilir bir parmak izi oluşturmak için dedektöre yeterli enerjiyle ulaşamayabilirler.
COHERENT ekibinin deneysel kurulumu bu sorunu ele alır.
“Gittiğinizde bir hızlandırıcı, bu parçacıkları önemli ölçüde daha yüksek enerjilerde üretirsiniz,” dedi Pershey. “Ve bu, onlara çekirdekleri parçalamak ve karanlık madde sinyalini ortaya çıkarmak için çok daha fazla güç veriyor.”
Peki, şimdi ne olacak? Çizim tahtasına tam olarak geri dönmedi. Neutrino Alley şu anda COHERENT’in iyileştirilmiş arama parametreleriyle birleştiğinde bu şeytani parçacıklardan birini yakalama şansını büyük ölçüde artıracak çok daha büyük ve daha hassas bir dedektör almaya hazırlanıyor.
“Eşimizin eşiğindeyiz. Pershey.
Referans: “SNS’de COHERENT CsI Detektörü ile Kozmolojik Beklentinin Ötesinde İlk Alt GeV Karanlık Madde Araştırması”, D. Akimov ve diğerleri, 3 Şubat 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803
.