Denken klein: Neue Ideen bei der Suche nach Dunkler Materie

So Forscher am Caltech, angeführt von Kathryn Zurek, Professor für theoretische Physik, weg zurück zum Reißbrett haben neue Ideen zu denken. Sie wurden der Suche in der Möglichkeit, dass dunkle Materie aus „versteckt Sektor“ Teilchen aus, die leichter sind als Teilchen zuvor vorgeschlagen, und könnte in der Theorie gefunden werden mit kleinen, unterirdischen Tischgeräten. Im Gegensatz dazu suchen Wissenschaftler für schwerere dunkle Materie Kandidaten WIMPs genannt mit Großexperimente wie XENON (schwach massive Teilchen in Wechselwirkung), die U-Bahn in einem 70.000-Liter-Tank Wasser in Italien installiert ist.

„Dunkle Materie immer durch uns fließt, auch in diesem Raum“, sagt Zurek, der ersten verborgenen Sektor Teilchen vor über ein Jahrzehnt vorgeschlagen. „Als wir das Zentrum der Galaxie bewegen, diese stetigen Wind dunkler geht Materie meist unbemerkt. Aber wir können immer noch den Vorteil dieser Quelle der Dunklen Materie nehmen und entwerfen neue Wege für seltene Wechselwirkungen zwischen der dunklen Materie Wind zu schauen und die Detektor."

In einem neuen Papier für die Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review Letters akzeptiert, umreißen die Physiker, wie die leichtere Teilchen der Dunklen Materie über eine Art von Quasiteilchen als Magnon bekannt sind, nachgewiesen werden konnte. Ein Quasi-Partikel ist ein emergentes Phänomen, das auftritt, wenn ein festes verhält, als ob es nur schwach in Wechselwirkung Teilchen enthält. Magnons sind eine Art von Quasiteilchen in dem Elektronenspins, die wie kleine Magneten wirken, erregt collectivity sind. In der Idee der Forscher für einen Tischexperiment, ein magnetisches kristallisiertes Material würde auf Anzeichen von angeregten Magnonen durch dunkele Materie erzeugt aussieht verwendet werden.

„Wenn die Teilchen der Dunklen Materie leichter als das Proton sind, ist es sehr schwierig wird, ihr Signal mit herkömmlichen Mitteln zu erkennen“, sagt Studienautor Zhengkang (Kevin) Zhang, ein Postdoc-Stipendiat am California Institute of Technology. „Aber nach vielen gut motivierte Modelle, vor allem diejenigen, denen versteckten Sektoren, die Teilchen der Dunklen Materie kann Paar an die Spins der Elektronen, so dass, sobald sie das Material treffen, werden sie Spinanregungen induzieren oder Magnonen. Wenn wir reduzieren das Hintergrundrauschen durch die Ausrüstung Kühlung und unterirdisch zu bewegen, könnten wir Magnonen zu erkennen, erzeugt allein durch dunkle Materie und nicht die gewöhnliche Materie hoffen.“

Das ist ein Experiment an dieser Stelle nur theoretisch, sondern kann schließlich stattfinden mit untergebracht kleinen Geräten U-Bahn, wahrscheinlich in einer Mine, wo äußere Einflüsse von anderen Teilchen, wie sie in der kosmischen Strahlung, minimiert werden kann.

Ein verräterisches Zeichen einer dunklen Stofferfassung in den Tisch-Experimente würden Änderungen an dem Signal, das von der Tageszeit abhängig sind. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die magnetischen Kristalle, die verwendet werden, würde die dunkle Materie zu erkennen sein anisotropen kann, was bedeutet, dass die Atome natürlich so angeordnet sind, dass sie mit der dunklen Materie stärker zu interagieren neigen, wenn die dunkle Materie kommt in aus bestimmten Richtungen.

„Als die Erde bewegt sich durch den galaktischen Halo aus Dunkler Materie, es fühlt sich an die dunkle Materie Wind aus der Richtung, in die Blasen der Planet bewegt. Ein Detektor an einem bestimmten Ort auf der Erde dreht sich mit dem Planeten fixiert, so dass die dunkle Materie Wind Hits aus verschiedene Richtungen zu verschiedenen Zeiten des Tages, sagt sie, von oben manchmal, manchmal von der Seite“, sagt Zhang.

„Im Laufe des Tages, zum Beispiel, können Sie eine höhere Erkennungsrate haben, wenn die Dunkelheit kommt Materie von oben als von der Seite. Wenn Sie das sehen, wäre es ziemlich spektakulär und ein sehr starker Hinweis darauf sein, dass Sie dunkeln Materie waren zu sehen.“

Die Forscher haben andere Ideen, wie dunkle Materie selbst offenbaren kann, zusätzlich zu dem durch Magnonen. Sie haben vorgeschlagen, dass die leichteren Teilchen dunkle Materie über Photonen detektiert werden konnte, sowie mit einem anderen Typ von Quasiteilchen eines Phonons genannt, die durch Vibrationen in einem Kristallgitter hervorgerufen wird. Vorläufige Experimente auf Basis von Photonen und Phononen sind im Gange, an der UC Berkeley, wo das Team beruhte vor Zurek in 2019 das California Institute of Technology Fakultät Verbindungs ​​Die Forscher sagen, dass die Verwendung dieser mehrere Strategien zu suchen, dunkle Materie entscheidend ist, weil sie sich gegenseitig ergänzen und würde dazu beitragen, bestätigen die Ergebnisse jedes andere.

„Wir sind in neue Wege der Suche nach dunkler Materie zu suchen, weil, da, wie wenig wissen wir über dunkle Materie, es lohnt sich alle Möglichkeiten erwägen“, sagt Zhang.

Quelle: California Institute of Technology. "Thinking small: New ideas in the search for dark matter." ScienceDaily. ScienceDaily, 16 June 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200616155946.htm>.