Onzichtbaar, onmerkbaar en toch veel gewoner dan gewone materie, donkere materie vormt maar liefst 85 procent van de massa van het universum. Natuurkundigen sporen langzaam maar zeker de aard van deze niet-geïdentificeerde stof op. Het laatste resultaat van het PICO-experiment plaatst enkele van de beste limieten tot nu toe op de eigenschappen van bepaalde soorten donkere materie.

PICO zoekt naar WIMP's (zwak interagerende massieve deeltjes), een verondersteld type donkere materiedeeltje dat slechts zelden zou interageren, waardoor ze moeilijk te vinden zijn.

In dit extreme kosmische spel "Waar is Waldo?" de nieuwste, de meest technologisch complexe detectoren worden meestal als de meest veelbelovende beschouwd. Veel van deze experimenten met donkere materie zijn afhankelijk van honderden, zo niet duizenden elektrische kanalen en vereisen rekken met computerservers om de gegevens die ze verzamelen op te slaan.

Maar PICO vertrouwt op een eenvoudig fenomeen en een vrij rustige detector:bellen, en een bellenblaas. In de kern, Het apparaat van PICO is gewoon een glazen pot gevuld met vloeistof waarin zich bellen kunnen vormen en die door een videocamera kunnen worden gevolgd.

De bubbel opnieuw uitvinden

PICO begon in 2005 als een samenwerking tussen de Universiteit van Chicago en Fermilab van het Amerikaanse ministerie van Energie. (Het experiment begon onder een andere naam, COUPP, en later samengevoegd met het PICASSO-experiment om PICO te vormen.) In de begindagen van het experiment, veel van het werk van Fermilab-wetenschappers was gewoon gewijd aan de ontwikkeling van bellenkamertechnologie. Want hoewel de bellenkamer nauwelijks nieuw was - hij werd uitgevonden in 1952 - was de technologie ook al 20 jaar buiten gebruik.

Bellenkamers zijn ontworpen om de energie die wordt afgezet door een subatomair deeltje om te zetten in een waarneembare bel. In een vloeistof zoals water op kamertemperatuur, deeltjesbotsingen doen niets merkbaars. Om gevoeligheid voor deeltjes te bereiken, de vloeistof in bellenkamers wordt verwarmd tot net boven het kookpunt, dus de geringste verstoring kan de vloeistof in kokende toestand brengen, het creëren van een bubbel.

"Je kunt echt naar de kamer kijken en de bubbelvorm zien, " zei Fermilab-natuurkundige Hugh Lippincott, een medewerker op PICO. In typische deeltjesfysica-experimenten, informatie over deeltjesinteracties wordt uitsluitend via computerinterfaces gegeven. In PICO, de interacties zijn met het blote oog zichtbaar als bellen.

"Het is geweldig om je gezicht tegen het glas te drukken en gewoon... knal!" zei Fermilab-natuurkundige Andrew Sonnenschein, ook een medewerker op PICO.

Als er WIMP's bestaan, ze moeten af ​​en toe in aanraking komen met vloeistof in de bellenkamer van PICO, het creëren van een bepaald aantal bubbels per jaar.

Het was een terugkeer naar de oude school, low-tech deeltjesfysica toen Fermilab-medewerkers begonnen met het ontwerpen van de PICO-bubbelkamer, die 2 kilometer onder de grond is geïnstalleerd bij het Canadese laboratorium SNOLAB. In de afgelopen decennia werden bellenkamers gebruikt om miljoenen geladen deeltjes zoals protonen en elektronen te volgen, die lang zou blijven, kronkelende sporen in de vloeistof.

"Oude bellenkamers hadden een geweldige run, maar het eindigde in de jaren '80, " Zei Sonnenschein. "Ze waren te traag om experimenten bij te houden die veel grotere datasnelheden hadden."

Als resultaat, bellenkamers werden uitgefaseerd toen moderne deeltjesversnellers zoals Fermilab's Tevatron en CERN's Large Hadron Collider het overnamen. Met behulp van complexe elektronica, detectoren op deze versnellers waren in staat om miljoenen keren meer gegevens te verzamelen dan bellenkamers.

In feite, bellenkamers waren al zo lang buiten gebruik dat de oprichters van PICO terug moesten naar de tekentafel, terug te keren naar enkele van de papieren van de oorspronkelijke pioniers van de bellenkamer, en de technologie voor het detecteren van donkere materie effectief opnieuw uit te vinden.

"Nadat de ontwerpers van de vroege bellenkamer ontdekten hoe ze deze konden laten werken om hoogenergetische deeltjes met bellensporen te volgen, de basisingrediënten van het recept zijn niet veranderd. We zoeken naar laag-energetische deeltjes die alleen enkele bellen maken, zoveel dingen zijn anders, ' zei Sonnenschein.

Het nieuwe ontwerp waarmee bellenkamers donkere materie kunnen detecteren, behoudt nog steeds veel van de elementen van oudere bellenkamerdetectoren.

"Wat PICO interessant maakt, is dat we een relatief eenvoudig detectorontwerp gebruiken in vergelijking met de andere experimenten met donkere materie, " zei Dan Baxter, een afgestudeerde student van de Northwestern University en Fermilab-fellow die de laatste runcoördinator van PICO was.

In tegenstelling tot traditionele bellenkamers die geladen deeltjes detecteren, De bellenkamer van PICO is ontworpen om ongrijpbare, neutraal geladen WIMP's die jaren kunnen duren voordat ze verschijnen.

"Het gebruikt het op een andere manier, ' zei Lippincott. 'Vroeger, je zou nooit verwachten een bellenkamer te gebruiken door hem daar gewoon te laten zitten zonder dat er iets gebeurt."

Een WIMPy bubbel

De zwakke kracht die WIMP's regeert, doet zijn naam eer aan. Ter vergelijking, het is ongeveer 10, 000 keer zwakker dan de elektromagnetische kracht. Deeltjes die op elkaar inwerken door de zwakke kracht, zoals WIMP's en neutrino's, heb niet vaak contact, waardoor ze moeilijk te vangen zijn. Maar zelfs een langzaam bewegende WIMP kan genoeg energie deponeren om zichtbaar te zijn in een detector.

Door warmte en druk in PICO's bellenkamervloeistof zorgvuldig te kalibreren, wetenschappers waren in staat om de detector alleen gevoelig te maken voor de interacties van massieve deeltjes zoals WIMP's. PICO-onderzoekers konden veel van de standaardachtergrond vermijden, zoals signalen van elektronen en gammastralen, die andere donkere-materiedetectoren teisteren.

Het beheersen van de technologie om dit te doen duurde jaren. Voorlopers van PICO begonnen als weinig meer dan reageerbuisjes gevuld met een paar theelepels vloeistof. Geleidelijk, de vaten werden groter. Vervolgens voegden onderzoekers geluidsmonitoring toe aan hun detectoren om de "ploffen" van bellen gemaakt door WIMP's vast te leggen.

"We zien een geluid tjilpen, "Sonnenschein zei, verwijzend naar de bubbels die knallen. "Het blijkt dat als je kijkt naar de frequentie-inhoud van de chirp en de amplitude, je kunt het verschil zien tussen verschillende soorten deeltjesinteracties."

Als een WIMP een bubbel heeft gemaakt, PICO zou niet alleen bewijs van donkere materie kunnen zien, maar hoor het ook. Met behulp van deze akoestische technologie, onderzoekers waren in staat om effectief een veto uit te spreken over bellen die niet door WIMP's konden zijn gecreëerd, waardoor ze achtergrond kunnen elimineren.

Zoals het blijkt, PICO zag geen bubbels van WIMP's, dus waren ze in staat om limieten te stellen aan zowel WIMP-massa's als de waarschijnlijkheid dat ze met materie zullen interageren - twee factoren die van invloed zijn op het aantal bellen dat WIMP's produceren.

Door limieten te stellen aan deze factoren - massa en interactiesnelheid - kunnen natuurkundigen vertellen waar ze vervolgens moeten zoeken naar donkere materie.

Waar nog geen bubbel is geweest

"We weten niet wat donkere materie is, en dus zijn er veel theorieën over wat het zou kunnen zijn en hoe het zou kunnen interageren met normale materie, ' zei Baxter.

De verscheidenheid aan theorieën vraagt ​​om een ​​verscheidenheid aan verschillende experimenten. Andere experimenten zoeken naar verschillende bronnen van donkere materie, zoals deeltjes die axionen of steriele neutrino's worden genoemd. PICO's zoektocht naar WIMP's heeft een specifieke focus op zogenaamde spin-afhankelijke WIMP's.

"We weten niet wat de WIMP's zijn, Lippincott zei. "Maar in grote lijnen zouden hun interacties met normale materie in twee categorieën vallen:een die niet gevoelig is voor de spin van de kern, en een dat is."

draaien, zoals lading, is een intrinsieke hoeveelheid gedragen door deeltjes en atoomkernen. PICO zoekt voornamelijk naar WIMP-interacties die gevoelig zijn voor de spin van de kern. Om hun resolutie van deze interacties te verbeteren, de onderzoekers gebruiken een vloeistof met een vloeistof die fluor bevat, die een relatief grote kernspin heeft. Met deze methode, PICO verhoogde hun vermogen om spingevoelige WIMP's te zien met een factor 17.

Eigenlijk, Het resultaat van PICO is dat deze spingevoelige WIMP's, als ze bestaan, moet extreem weinig interactie hebben - anders zou PICO meer bubbels hebben gezien.

Dit resultaat, wat verreweg de beste is voor spingevoelige WIMP's die interageren met protonen, sluit het bestaan ​​van WIMP's niet uit. Er zijn nog veel andere plekken waar je nog naar donkere materie kunt zoeken, maar dankzij PICO, minder plekken om zich te verstoppen.

De PICO-samenwerking heeft momenteel een voorstel ingediend bij de Canada Foundation for Innovation om de volgende generatie PICO-kamer te bouwen, en natuurkundigen zoals Lippincott en Sonnenschein blijven optimistisch vanwege het potentieel van de technologie om op te schalen.

"Ze zijn vrij goedkoop als de engineering eenmaal is voltooid, vooral omdat ze mechanisch heel eenvoudig zijn. De onhandige stukjes zijn niet erg onhandig, "Zei Lippincott. "Er is een goede kans dat bellenkamers een rol zullen blijven spelen in de jacht op donkere materie."