Na het bekijken van YouTube-video's van mensen die water in een fles onderkoelen en het vervolgens laten bevriezen door erop te bonzen, iets over dit concept gestold voor Matthew M. Szydagis, een assistent-professor natuurkunde aan de universiteit van Albany, Staatsuniversiteit in New York, vooral toen hij het weer zag tijdens de Disney-film 'Frozen'.

Tijdens de aprilbijeenkomst van de American Physical Society in 2019 in Denver, Szydagis zal beschrijven hoe dit hem inspireerde om te onderzoeken of een subatomair deeltje zoals donkere materie het bevriezen van onderkoeld water kan veroorzaken. Lees meer op https://arxiv.org/abs/1807.09253.

"Al mijn werk is gemotiveerd door de zoektocht naar donkere materie, een vorm van materie waarvan we zeker weten dat die er is omdat we de indirecte zwaartekrachtseffecten kunnen waarnemen, " zei Szydagis. "Het vormt een aanzienlijk deel van het universum, maar we moeten nog directe, overtuigend en ondubbelzinnig bewijs ervan in het laboratorium."

Als water schoon genoeg is - weinig onzuiverheden, zoals stofdeeltjes—en geplaatst in een voldoende gladde container, Szydagis legde uit, het kan worden gekoeld tot onder het vriespunt van 0 C (32 F) zonder te bevriezen.

"Dit wordt 'onderkoeling' genoemd en is vergelijkbaar met hoe water gemakkelijk kan worden oververhit in de magnetron, in wezen verwarmd tot boven het kookpunt zonder echt te koken. Het is gewoon het omgekeerde, "zei hij. "Het water eindigt, in elk van deze gevallen, in een toestand die bekend staat als 'metastabiliteit, ' noch onstabiel noch vrij stabiel."

Een storing kan de faseovergang activeren, bevriezing en kristallisatie, in dit geval. "Dit is geen gewone bevriezing, en het vormt witte sneeuw in plaats van helder ijs, " voegde hij eraan toe. "We hebben vloeibaar water afgekoeld tot -20 C (-4 F). in ons lab zonder dat het bevriest. Het is niet hetzelfde als vriespuntdepressie, zoals wanneer je je stoep strooit, omdat het water zuiver was en niet opzettelijk verontreinigd met onzuiverheden."

De groep toonde aan dat bepaalde vormen van deeltjes die het water raken microscopisch (subatomair) ervoor kunnen zorgen dat het bevriest als het eerst wordt onderkoeld. "Sommige deeltjes zoals neutronen kunnen zelfs meerdere keren in het water worden verspreid, " zei Szydagis. "We konden dit niet alleen aantonen met commercieel beschikbare bronnen van deeltjes, maar ook een Fiestaware 'radioactief rood' bord met oranje verf op uraniumbasis uit de jaren vijftig."

Ze creëerden een nieuwe detector op basis van het onderkoelde water, de "sneeuwbalkamer" genoemd omdat dat goed past bij "bubbel" en "wolken" kamers, dat zijn technologieën van het begin tot het midden van de 20e eeuw die koken en condensatie gebruiken.

Onderkoeld water is zeker niet nieuw; het is al tientallen jaren bestudeerd door scheikundigen en fysici van de gecondenseerde materie, tot -40 C (-40 F). Er zijn zelfs publicaties over die meer dan 100 jaar oud zijn.

"Maar we zijn erin geslaagd een nieuwe eigenschap van onderkoeld water te ontdekken, " zei Szydagis. "Tot onze grote verbazing, we ontdekten dat sommige deeltjes (neutronen) maar niet andere (gammastralen) bevriezing veroorzaken. Aangezien dit fundamenteel onderzoek is dat nog nooit eerder is gedaan, er was geen garantie dat het zou werken. Het was een 'laten we het proberen en zien'-benadering - de wetenschappelijke methode in zijn meest elementaire vorm. We hebben niet alleen een nieuwe detector van fundamentele deeltjes, maar mogelijk van donkere materie omdat men denkt dat neutronen het nabootsen."

De groep voorziet tal van andere mogelijke implicaties voor hun ontdekking, inclusief het opsporen van kernwapens in vracht voor binnenlandse veiligheid, wolkenvorming begrijpen, en aanwijzingen geven over hoe bepaalde zoogdiersoorten overwinteren, hun bloed op de een of andere manier onderkoelen.