Natuurkundigen van de Brown University hebben een nieuwe strategie bedacht om donkere materie rechtstreeks te detecteren. het ongrijpbare materiaal waarvan men denkt dat het verantwoordelijk is voor de meerderheid van de materie in het universum.

De nieuwe strategie, die is ontworpen om interacties tussen donkere materiedeeltjes en een bak met supervloeibaar helium te detecteren, gevoelig zou zijn voor deeltjes in een veel lager massabereik dan mogelijk is met een van de grootschalige experimenten die tot nu toe zijn uitgevoerd, zeggen de onderzoekers.

"De meeste grootschalige zoektochten naar donkere materie tot nu toe waren op zoek naar deeltjes met een massa tussen de 10 en 10, 000 keer de massa van een proton, " zei Dirk Stein, een natuurkundige die samen met twee van zijn collega's van de Brown University het werk schreef, Humphrey Maris en George Seidel. "Onder de 10 protonmassa's, deze experimenten beginnen hun gevoeligheid te verliezen. Wat we willen doen is de gevoeligheid in massa uitbreiden met drie of vier ordes van grootte en de mogelijkheid onderzoeken van donkere materiedeeltjes die veel lichter zijn."

Een paper waarin de nieuwe detector wordt beschreven, is gepubliceerd in: Fysieke beoordelingsbrieven .

ontbrekende materie

Hoewel het nog niet direct is gedetecteerd, natuurkundigen zijn er vrij zeker van dat donkere materie in een of andere vorm moet bestaan. De manier waarop sterrenstelsels roteren en de mate waarin licht buigt terwijl het door het universum reist, suggereert dat er een soort onzichtbaar materiaal is dat zijn zwaartekracht in het rond gooit.

Het leidende idee voor de aard van donkere materie is dat het een soort deeltje is, zij het een die zeer zelden in wisselwerking staat met gewone materie. Maar niemand weet precies wat de eigenschappen van een donkere-materiedeeltje zijn, omdat nog niemand een van die zeldzame interacties heeft geregistreerd.

Er is een goede reden geweest, Stein zegt, om te zoeken in het massabereik waar de meeste experimenten met donkere materie zich tot nu toe hebben geconcentreerd. Een deeltje in dat massabereik zou veel losse theoretische eindjes aan elkaar knopen. Bijvoorbeeld, de theorie van supersymmetrie - het idee dat alle gewone deeltjes die we kennen en liefhebben, verborgen partnerdeeltjes hebben - voorspelt kandidaten voor donkere materie in de orde van honderden protonmassa's.

Maar de no-show van die deeltjes in experimenten tot nu toe heeft sommige natuurkundigen ertoe aangezet om ergens anders te zoeken. Dit heeft ertoe geleid dat theoretici modellen hebben voorgesteld waarin donkere materie een veel lagere massa zou hebben.

Een nieuwe aanpak

De detectiestrategie die de Brown-onderzoekers hebben bedacht, is een bak met supervloeibaar helium. Het idee is dat donkere materiedeeltjes die door het bad gaan, in zeer zeldzame gevallen, botsen in de kern van een heliumatoom. Die botsing zou fononen en rotonen produceren - kleine excitaties die ongeveer gelijk zijn aan geluidsgolven - die zich voortplanten zonder verlies van kinetische energie in de superfluïde. Wanneer die excitaties het oppervlak van de vloeistof bereiken, ze zullen ervoor zorgen dat heliumatomen vrijkomen in een vacuümruimte boven het oppervlak. De detectie van die vrijgekomen atomen zou het signaal zijn dat er een interactie met donkere materie heeft plaatsgevonden in het bad.

"Het laatste stukje is het lastige deel, " zei Maris, die heeft gewerkt aan soortgelijke op helium gebaseerde detectieschema's voor andere deeltjes zoals zonne-neutrino's. De botsing van een deeltje van donkere materie met een lage massa kan ertoe leiden dat slechts één enkel atoom van het oppervlak vrijkomt. Dat ene atoom zou slechts ongeveer één milli-elektronvolt aan energie bevatten, waardoor het vrijwel onmogelijk is om via traditionele middelen te detecteren. De nieuwigheid van dit nieuwe detectieschema is een middel om dat kleine, energiesignatuur van één atoom.

Het werkt door een elektrisch veld te genereren in de vacuümruimte boven de vloeistof met behulp van een reeks kleine, positief geladen metalen pinnen. Als een atoom dat vrijkomt van het heliumoppervlak dicht bij een pin komt, de positief geladen punt zal er een elektron van stelen, het creëren van een positief geladen heliumion. Dat nieuw gecreëerde positieve ion zou dicht bij de positief geladen pin zijn, en omdat gelijke ladingen elkaar afstoten, het ion zal wegvliegen met voldoende energie om gemakkelijk te kunnen worden gedetecteerd door een standaard calorimeter, een apparaat dat een temperatuurverandering detecteert wanneer er een deeltje tegenaan loopt.

"Als we er 10 plaatsen, 000 volt op die kleine pinnen, dan vliegt dat ion weg met 10, 000 volt erop, "Zei Maris. "Dus het is deze ionisatiefunctie die ons een nieuwe manier geeft om alleen het enkele heliumatoom te detecteren dat in verband kan worden gebracht met een interactie met donkere materie."

Gevoelig bij lage massa

Dit nieuwe soort detector zou niet de eerste zijn die het idee van een kuip met vloeibaar gas gebruikt. Het onlangs afgeronde Large Underground Xenon (LUX) experiment en zijn opvolger, LUX-ZEPLIN, beide gebruiken kuipjes xenongas. Het gebruik van helium biedt in plaats daarvan een belangrijk voordeel bij het zoeken naar deeltjes met een lagere massa, zeggen de onderzoekers.

Om een ​​botsing detecteerbaar te maken, het binnenkomende deeltje en de doelatoomkernen moeten een compatibele massa hebben. Als het binnenkomende deeltje veel kleiner is in massa dan de doelkernen, elke botsing zou ertoe leiden dat het deeltje eenvoudigweg terugkaatst zonder een spoor achter te laten. Aangezien LUX en L-Z bedoeld zijn voor de detectie van deeltjes met een massa groter dan vijf keer die van een proton, ze gebruikten xenon, met een kern van ongeveer 100 protonmassa's. Helium heeft een kernmassa die slechts vier keer zo groot is als die van een proton, een meer compatibel doelwit maken voor deeltjes met veel minder massa.

Maar nog belangrijker dan het lichtdoel, zeggen de onderzoekers, is het vermogen van het nieuwe schema om slechts een enkel atoom te detecteren dat van het heliumoppervlak is verdampt. Dat soort gevoeligheid zou het apparaat in staat stellen om de kleine hoeveelheden energie te detecteren die in de detector worden afgezet door deeltjes met een zeer kleine massa. Het Brown-team denkt dat het apparaat gevoelig zou zijn voor massa's tot ongeveer twee keer de massa van een elektron. ongeveer 1, 000 tot 10, 000 keer lichter dan de deeltjes die tot nu toe in grootschalige experimenten met donkere materie zijn gedetecteerd.

Stein zegt dat de eerste stappen om zo'n detector daadwerkelijk te realiseren, fundamentele experimenten zullen zijn om aspecten beter te begrijpen van wat er gebeurt in het superfluïde helium en de precieze dynamiek van het ionisatieschema.

"Van die fundamentele experimenten, "Steijn zegt, "we zouden ontwerpen maken voor een groter en completer experiment met donkere materie."