Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's hebben een nieuwe methode voorgesteld om donkere materie te vinden, het mysterieuze materiaal van de kosmos dat decennialang aan detectie is ontsnapt. Donkere materie maakt ongeveer 27% van het heelal uit; gewone zaak, zoals het spul dat sterren en planeten bouwt, is goed voor slechts 5% van de kosmos. (Een mysterieuze entiteit genaamd donkere energie is verantwoordelijk voor de overige 68%.)

Volgens kosmologen al het zichtbare materiaal in het universum drijft slechts in een enorme zee van donkere materie - deeltjes die onzichtbaar zijn maar niettemin massa hebben en een zwaartekracht uitoefenen. De zwaartekracht van donkere materie zou de ontbrekende lijm leveren die ervoor zorgt dat sterrenstelsels niet uit elkaar vallen en verklaren hoe materie samenklonterde om het rijke galactische tapijt van het universum te vormen.

Het voorgestelde experiment, waarin een miljard millimeter grote slingers zouden fungeren als sensoren voor donkere materie, zou de eerste zijn die op donkere materie jaagt, uitsluitend door zijn zwaartekrachtinteractie met zichtbare materie. Het experiment zou een van de weinige zijn die zou zoeken naar donkere materiedeeltjes met een massa zo groot als die van een zoutkorrel, een schaal die zelden wordt verkend en nooit is bestudeerd door sensoren die kleine zwaartekrachten kunnen registreren.

Eerdere experimenten hebben gezocht naar donkere materie door te zoeken naar niet-zwaartekrachttekens van interacties tussen de onzichtbare deeltjes en bepaalde soorten gewone materie. Dat is het geval geweest voor zoekopdrachten naar een hypothetisch type donkere materie genaamd de WIMP (zwak interagerende massieve deeltjes), die meer dan twee decennia een leidende kandidaat was voor het ongeziene materiaal. Natuurkundigen zochten bewijs dat wanneer WIMP's af en toe botsen met chemische stoffen in een detector, ze zenden licht uit of stoten elektrische lading uit.

Onderzoekers die op deze manier naar WIMP's jagen, zijn met lege handen gekomen of hebben geen overtuigende resultaten opgeleverd; de deeltjes zijn te licht (getheoretiseerd om in massa te variëren tussen die van een elektron en een proton) om te detecteren door hun zwaartekracht.

Met de zoektocht naar WIMP's schijnbaar op zijn laatste benen, onderzoekers van NIST en hun collega's overwegen nu een meer directe methode om donkere materiedeeltjes te zoeken die een grotere massa hebben en daarom een ​​zwaartekracht uitoefenen die groot genoeg is om te worden gedetecteerd.

"Ons voorstel is puur gebaseerd op de zwaartekrachtkoppeling, de enige koppeling die we zeker weten die bestaat tussen donkere materie en gewone lichtgevende materie, " zei co-auteur van de studie Daniel Carney, een theoretisch fysicus verbonden aan NIST, het Joint Quantum Institute (JQI) en het Joint Centre for Quantum Information and Computer Science (QuICS) aan de Universiteit van Maryland in College Park, en het Fermi National Accelerator Laboratory.

De onderzoekers, waaronder ook Jacob Taylor van NIST, JQI en QuICS; Sohitri Ghosh van JQI en QuICS; en Gordan Krnjaic van het Fermi National Accelerator Laboratory, berekenen dat hun methode kan zoeken naar donkere materiedeeltjes met een minimale massa van ongeveer de helft van die van een zoutkorrel, of ongeveer een miljard miljard keer de massa van een proton. De wetenschappers rapporteren hun bevindingen vandaag in Fysieke beoordeling D .

Omdat de enige onbekende in het experiment de massa van het donkere materiedeeltje is, niet hoe het zich verhoudt tot gewone materie, "Als iemand het experiment bouwt dat we voorstellen, ze vinden donkere materie of sluiten alle kandidaten voor donkere materie uit over een breed scala van mogelijke massa's, " zei Carney. Het experiment zou gevoelig zijn voor deeltjes variërend van ongeveer 1/5, 000 van een milligram tot een paar milligram.

Die massaschaal is vooral interessant omdat hij de zogenaamde Planck-massa omvat, een hoeveelheid massa uitsluitend bepaald door drie fundamentele natuurconstanten en equivalent aan ongeveer 1/5, 000 gram.

Carney, Taylor en hun collega's stellen twee schema's voor voor hun zwaartekrachtexperiment met donkere materie. Beide hebben betrekking op kleine, mechanische apparaten van millimeterformaat die fungeren als uiterst gevoelige zwaartekrachtdetectoren. De sensoren zouden worden gekoeld tot temperaturen net boven het absolute nulpunt om warmtegerelateerde elektrische ruis te minimaliseren en worden afgeschermd tegen kosmische straling en andere bronnen van radioactiviteit. In een scenario, een groot aantal zeer gevoelige slingers zouden elk een beetje afbuigen als reactie op de ruk aan een voorbijgaand deeltje van donkere materie.

Soortgelijke apparaten (met veel grotere afmetingen) zijn al gebruikt bij de recente Nobelprijswinnende detectie van zwaartekrachtsgolven, rimpelingen in het weefsel van ruimte-tijd voorspeld door Einsteins zwaartekrachttheorie. Zorgvuldig opgehangen spiegels, die als slingers werken, minder dan de lengte van een atoom bewegen als reactie op een passerende zwaartekrachtgolf.

Bij een andere strategie de onderzoekers stellen voor om bollen te gebruiken die worden opgelaten door een magnetisch veld of kralen die worden opgelaten door laserlicht. In dit schema is de levitatie wordt uitgeschakeld als het experiment begint, zodat de bollen of kralen in vrije val zijn. De zwaartekracht van een voorbijgaand deeltje van donkere materie zou het pad van de vrij vallende objecten enigszins verstoren.

"We gebruiken de beweging van objecten als ons signaal, "zei Taylor. "Dit is anders dan in wezen elke deeltjesfysica-detector die er is."

De onderzoekers berekenen dat een reeks van ongeveer een miljard kleine mechanische sensoren verdeeld over een kubieke meter nodig is om een ​​echt donkeremateriedeeltje te onderscheiden van een gewoon deeltje of valse willekeurige elektrische signalen of "ruis" die een vals alarm in de sensoren veroorzaken. Gewone subatomaire deeltjes zoals neutronen (die op elkaar inwerken door een niet-zwaartekracht) zouden in een enkele detector stoppen. In tegenstelling tot, wetenschappers verwachten een donkere materiedeeltje, die langs de array zoeven als een miniatuurasteroïde, zou elke detector op zijn pad door zwaartekracht schudden, de een na de ander.

Ruis zou ervoor zorgen dat individuele detectoren willekeurig en onafhankelijk bewegen in plaats van opeenvolgend, zoals een deeltje van donkere materie zou doen. Als bonus, de gecoördineerde beweging van de miljard detectoren zou de richting onthullen waarin het donkere materiedeeltje ging terwijl het door de array zoemde.

Om zoveel kleine sensoren te fabriceren, het team suggereert dat onderzoekers misschien technieken willen lenen die de smartphone- en auto-industrie al gebruiken om grote aantallen mechanische detectoren te produceren.

Dankzij de gevoeligheid van de afzonderlijke detectoren, onderzoekers die de technologie gebruiken, hoeven zich niet te beperken tot de donkere kant. Een kleinere versie van hetzelfde experiment zou de zwakke krachten van verre seismische golven kunnen detecteren, evenals die van de passage van gewone subatomaire deeltjes, zoals neutrino's en enkelvoudige, laagenergetische fotonen (lichtdeeltjes).

Het experiment op kleinere schaal zou zelfs op donkere materiedeeltjes kunnen jagen - als ze de detectoren een voldoende grote kick geven door middel van een niet-zwaartekracht, zoals sommige modellen voorspellen, zei Carney.

"We stellen het ambitieuze doel om een ​​zwaartekrachtdetector voor donkere materie te bouwen, maar de R&D die daarvoor nodig was, zou de deur openen voor vele andere detectie- en metrologische metingen, ' zei Carney.

Onderzoekers van andere instellingen zijn al begonnen met het uitvoeren van voorlopige experimenten met behulp van de blauwdruk van het NIST-team.