science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Donkere materie vinden in het donker

Krediet:NASA, ESA en M. Montes (Universiteit van New South Wales)

Donkere materie is het mysterieuze materiaal dat het heelal bij elkaar houdt, toch heeft niemand het gezien; of gehoord, rook, geproefd of aangeraakt.

Maar dat kan snel veranderen, en een laboratorium op 1000 meter onder de grond in de Stawell-goudmijn halverwege Melbourne en Adelaide zou het epicentrum van deze ontdekking kunnen zijn.

Natuurkundigen hebben de laatste tijd een goede run gehad bij het detecteren van het schijnbaar ondetecteerbare. Eerst was er het Higg's Boson, bevestigd door experimenten bij de Large Hadron Collider in 2012, bijna 50 jaar nadat het bestaan ​​ervan voor het eerst werd voorgesteld. Toen vonden de LIGO-detectoren in 2015 zwaartekrachtsgolven, een eeuw nadat Einstein ze had voorspeld. Beide ontdekkingen werden beloond met Nobelprijzen.

Als alles volgens plan verloopt, in de komende jaren zal donkere materie zich verplaatsen van het rijk van het hypothetische naar het waarneembare, een nieuw tijdperk in de experimentele fysica openen, en een grote stap in de richting van een fundamentele natuurtheorie.

Professor Elisabetta Barberio leidt de Australische inspanning om donkere materie te detecteren, als directeur van het Center for Dark Matter Particle Physics. De natuurkundige van de Universiteit van Melbourne zegt dat Australië in een unieke positie verkeert om het bestaan ​​van donkere materie te bevestigen.

Hoe weten we wat we zoeken?

Kosmische stralen worden geabsorbeerd door gesteente, dus als je diep genoeg in de Stawell-mijn (foto) gaat, kun je deze tot bijna nul reduceren. Krediet:Universiteit van Melbourne

Het begon met enkele eenvoudige berekeningen gebaseerd op de zwaartekrachtwet van Newton.

"Als ik naar het zonnestelsel kijk, daar is de zon en alle planeten, en als ik de snelheid van een planeet ken en de afstand tot de zon, Ik kan de massa van de zon berekenen, " zegt professor Barberio.

"We kunnen hetzelfde doen met onze melkweg. We kunnen de beweging van een ster nemen, en, de afstand van de ster tot het centrum van de melkweg kennen, we kunnen berekenen hoeveel materiaal er in de melkweg is.

"Als we deze berekening maken, de hoeveelheid materiaal die we zien en de hoeveelheid materiaal die er volgens onze berekeningen zou moeten zijn, komen niet overeen. Onze berekeningen zeggen dat er veel meer materiaal in de melkweg is dan we kunnen zien. En dit is donkere materie."

Natuurkundigen denken dat donkere materie bestaat uit een nog onbekend fundamenteel deeltje dat geen elektrische lading heeft. geeft geen licht, en heeft niet veel interactie met iets. Maar ze denken ook dat er af en toe een interactie zal zijn die we misschien kunnen detecteren, gegeven de juiste apparatuur en de juiste locatie.

"We weten dat er veel donkere materie in de melkweg is - tussen 70 en 80 procent van het materiaal in de melkweg is donkere materie, " zegt professor Barberio, "en dus elke seconde worden onze lichamen doorkruist door miljarden van deze donkere materiedeeltjes die ons niets doen. We zijn transparant voor deze deeltjes."

Starburst in een Dwerg Onregelmatige Melkweg. Krediet:NASA, ESA, Hubble-erfgoed (STScI/AURA)

"Echter, wij denken dat heel, heel zelden, een deeltje van donkere materie interageert met de kern van een atoom in een materiaal dat we kunnen zien - wat we normale materie noemen."

Het probleem is dat andere dingen ook interageren met de atoomkernen; met name kosmische straling en radioactiviteit.

"De kans dat donkere materie interageert met mijn kern is één gebeurtenis per 10 kg materiaal per dag, " zegt professor Barberio. "De kans dat radioactiviteit of kosmische straling een interactie aangaat met mijn kern is 10 miljard keer per 10 kg materiaal per dag."

Met andere woorden, 1 op elke 10 miljard van deze interacties is donkere materie, waardoor het onmogelijk is om een ​​signaal van de ruis te onderscheiden.

Ondergronds gaan

Om die kansen te vergroten, moeten we het aantal andere interacties verminderen. De eerste stap is om ondergronds te gaan - ver onder de grond. Kosmische stralen worden geabsorbeerd door gesteente, dus als je diep genoeg gaat, kun je deze tot bijna nul reduceren.

Vertegenwoordiging van de SABRE-detector voor donkere materie. Krediet:Universiteit van Melbourne

"Door ondergronds te gaan, hebben we al een paar miljard interacties geëlimineerd, " zegt professor Barberio.

"En dan moeten we ook alle resterende radioactiviteit elimineren in het materiaal waaruit we onze detector hebben gebouwd, want zelfs als we een banaan in ons lab nemen, het zal zoveel radioactiviteit hebben dat er een paar tellingen zullen zijn, een paar interacties, per dag, met mijn kernen, en het zal donkere materie verduisteren."

"We kiezen het juiste materiaal, of bouw een materiaal met een zeer lage radioactiviteit, en dan bouwen we onze detector ondergronds en we beginnen te wachten, en tel hoe vaak er deze interactie is."

Er bestaan ​​verschillende ondergrondse detectoren voor donkere materie, en men beweert zelfs donkere materie te zien. Het Gran Sasso-laboratorium, gebouwd in een berg in Italië, volgt wat ze zeggen is de jaarlijkse modulatie van donkere materie die op aarde aankomt.

Terwijl de aarde om de zon draait, zijn snelheid ten opzichte van het centrum van de melkweg verandert. In juni reist de aarde rond de melkweg met ongeveer 260 km per seconde, terwijl het in december eerder 200 km per seconde is. Daarom zouden we verwachten dat de aarde in juni door meer donkere materie wordt getroffen dan in december. En dit constateert het Gran Sasso-team in hun gegevens.

"Als je op de fiets zit en je gaat sneller of langzamer, dan heb je meer of minder wind, " zegt professor Barberio.

Op zoek naar donkere materie. Krediet:Swinburne University

Australische donkere materie detector

Seizoensveranderingen, van zomer tot winter, zou ook kunnen leiden tot een cyclus in de snelheid van interacties op de donkere-materiedetectoren. En hier komt Australië om de hoek kijken.

Om deze mogelijke fout te verwijderen, we moeten de experimenten op het zuidelijk halfrond herhalen, waar de seizoenen worden omgedraaid. Als we een seizoenspatroon zien, met een piek in de zomer en een minimum in de winter, dan moeten de gegevens uit Italië worden heroverwogen. Als we hetzelfde jaarlijkse patroon zien, echter, met een piek in juni en een minimum in december, dit zou het bewijs kunnen zijn dat uiteindelijk het bestaan ​​van donkere materie bevestigt.

De Stawell-goudmijn in het westen van Victoria is een van de weinige plaatsen in Australië waar een donkere-materiedetector kan worden geplaatst.

"Je moet een heel diepe mijn of een heel hoge berg vinden, " zegt professor Barberio.

"We hebben geen erg hoge bergen, dus we moesten een mijn vinden. Er zijn maar heel weinig mijnen in Australië die de nodige diepte en de nodige toegang hebben. Gelukkig, we hebben veel steun van de mijneigenaren en de lokale Stawell-gemeenschap voor ons laboratorium."

Het team van professor Barberio hoopt dat het Stawell Underground Physics Laboratory dit jaar operationeel zal zijn. Dit wordt de eerste donkeremateriedetector op het zuidelijk halfrond, en, in combinatie met gegevens van andere detectoren over de hele wereld, zou eindelijk het bestaan ​​van donkere materie kunnen bevestigen.