De zoektocht naar donkere materie breidt zich uit. En klein worden.

Hoewel donkere materie in overvloed aanwezig is in het universum, is het verreweg de meest voorkomende vorm van materie, het maakt ongeveer 85 procent uit van het totaal van het universum - het verbergt zich ook in het volle zicht. We weten nog niet waar het van gemaakt is, hoewel we getuige kunnen zijn van zijn aantrekkingskracht op bekende materie.

Theoretiseerde zwak interagerende massieve deeltjes, of WIMP's, behoorden tot de cast van waarschijnlijke verdachten bestaande uit donkere materie, maar ze zijn nog niet verschenen waar wetenschappers ze hadden verwacht.

Veel kleine netten uitwerpen

Dus wetenschappers verdubbelen nu hun inspanningen door nieuwe en behendige experimenten te ontwerpen die donkere materie kunnen zoeken in voorheen onontgonnen gebieden van deeltjesmassa en energie, en met behulp van voorheen niet-geteste methoden. De nieuwe aanpak, in plaats van te vertrouwen op een paar 'netten' van grote experimenten om te proberen één type donkere materie te vangen, is verwant aan het werpen van veel kleinere netten met veel fijnere mazen.

Donkere materie kan veel "lichter, " of lager in massa en minder in energie, dan eerder gedacht. Het kan bestaan ​​uit theoretische, golfachtige ultralichte deeltjes bekend als axions. Het zou kunnen worden bevolkt door een wild koninkrijk gevuld met vele soorten nog onontdekte deeltjes. En het bestaat misschien helemaal niet uit deeltjes.

Er is momentum opgebouwd voor experimenten met lage massa donkere materie, die ons huidige begrip van de samenstelling van materie zoals belichaamd in het standaardmodel van deeltjesfysica zou kunnen uitbreiden, merkte Kathryn Zurek op, een senior wetenschapper en theoretisch fysicus bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy.

Zurek, die ook verbonden is aan UC Berkeley, is een pionier geweest in het voorstellen van theorieën over donkere materie met een lage massa en mogelijke manieren om deze te detecteren.

"Welk experimenteel bewijs hebben we voor natuurkunde buiten het standaardmodel? Donkere materie is een van de beste, "zei ze. "Er zijn van die theoretische ideeën die al een decennium of zo bestaan, "Zurk voegde eraan toe, en nieuwe ontwikkelingen in technologie, zoals nieuwe ontwikkelingen op het gebied van kwantumsensoren en detectormaterialen, hebben ook bijgedragen aan het stimuleren van nieuwe experimenten.

"Het veld is het afgelopen decennium volwassen geworden en tot bloei gekomen. Het is mainstream geworden - dit is niet langer de rand, "Zei ze. Discussies over donkere materie met een lage massa zijn verplaatst van kleine conferenties en workshops naar een onderdeel van de algemene strategie bij het zoeken naar donkere materie.

Ze merkte op dat Berkeley Lab en UC Berkeley, met hun specifieke expertise in theorieën over donkere materie, experimenten, en geavanceerde detector en doel-R&D, staan ​​klaar om een ​​grote impact te maken in dit opkomende gebied van de jacht op donkere materie.

Rapporthoogtepunten moeten zoeken naar "lichte" donkere materie met een lage massa

Onderzoek naar donkere materie door Zurek en andere Berkeley Lab-onderzoekers wordt benadrukt in een DOE-rapport, "Basic Research Needs for Dark Matter Small Projects New Initiatives", gebaseerd op een High Energy Physics Workshop over donkere materie in oktober 2018. Zurek en Dan McKinsey, een senior wetenschapper van de Berkeley Lab-faculteit en UC Berkeley natuurkunde professor, diende als co-leads op een workshoppanel gericht op directe detectietechnieken voor donkere materie, en dit panel heeft bijgedragen aan het rapport.

Het rapport stelt voor om te focussen op kleinschalige experimenten - met projectkosten variërend van $ 2 miljoen tot $ 15 miljoen - om te zoeken naar donkere materiedeeltjes met een massa kleiner dan een proton. Protonen zijn subatomaire deeltjes in elke atoomkern die elk ongeveer 1 wegen. 850 keer meer dan een elektron.

Deze nieuwe, zoekinspanningen met een lagere massa zullen "het overkoepelende doel hebben om eindelijk de aard van de donkere materie van het universum te begrijpen, ' staat in het rapport.

In een verwante poging, het Amerikaanse ministerie van Energie vroeg dit jaar om voorstellen voor nieuwe experimenten met donkere materie, met een deadline van 30 mei, en Berkeley Lab hebben deelgenomen aan het voorstelproces, zei Mc Kinsey.

"Berkeley is een mekka voor donkere materie" dat klaar is om deel te nemen aan deze uitgebreide zoektocht, hij zei. McKinsey heeft deelgenomen aan grote experimenten met directe detectie van donkere materie, waaronder LUX en LUX-ZEPLIN, en werkt ook aan detectietechnieken voor donkere materie met een lage massa.

3 prioriteiten in de uitgebreide zoekopdracht

Het rapport belicht drie belangrijke onderzoeksrichtingen bij het zoeken naar donkere materie met een lage massa die "nodig zijn om een ​​brede gevoeligheid te bereiken en ... om verschillende belangrijke mijlpalen te bereiken":

1. Creëer en detecteer donkere materiedeeltjes onder de protonmassa en bijbehorende krachten, gebruikmakend van DOE-versnellers die bundels energetische deeltjes produceren. Dergelijke experimenten kunnen ons mogelijk helpen de oorsprong van donkere materie te begrijpen en de interacties met gewone materie te onderzoeken, het rapport stelt.

2. Detecteer individuele galactische donkere-materiedeeltjes - tot een massa die ongeveer 1 biljoen keer kleiner is dan die van een proton - door interacties met geavanceerde, ultragevoelige detectoren. Het rapport merkt op dat er al ondergrondse experimentele gebieden en apparatuur zijn die kunnen worden gebruikt ter ondersteuning van deze nieuwe experimenten.

3. Detecteer galactische donkere-materiegolven met behulp van geavanceerde, ultragevoelige detectoren met de nadruk op het zogenaamde QCD (quantum chromodynamics) axion. Vooruitgang in theorie en technologie stellen wetenschappers nu in staat om het bestaan ​​van dit type op axion gebaseerde donkere materie te onderzoeken over het hele spectrum van het verwachte ultralichte massabereik, het verstrekken van "een kijkje in de vroegste momenten in de oorsprong van het universum en de natuurwetten bij ultrahoge energieën en temperaturen, ' staat in het rapport.

Dit axion, als het bestaat, kan ook helpen bij het verklaren van eigenschappen die verband houden met de sterke kracht van het universum, die verantwoordelijk is voor het bij elkaar houden van de meeste materie - het bindt deeltjes aan elkaar in de atoomkern, bijvoorbeeld.

Zoekopdrachten naar de traditionele WIMP-vorm van donkere materie zijn met ongeveer 1 toegenomen in gevoeligheid 000-voudig in het afgelopen decennium.

Berkeley-wetenschappers bouwen prototype-experimenten

Onderzoekers van Berkeley Lab en UC Berkeley zullen zich in eerste instantie richten op vloeibare helium- en galliumarsenidekristallen bij het zoeken naar interacties met donkere materiedeeltjes met een lage massa in prototypelaboratoriumexperimenten die nu in ontwikkeling zijn bij UC Berkeley.

"Materiaalontwikkeling is ook onderdeel van het verhaal, en ook nadenken over verschillende soorten excitaties" in detectormaterialen, zei Zurek.

Naast vloeibaar helium en galliumarsenide, de materialen die kunnen worden gebruikt om donkere materiedeeltjes te detecteren zijn divers, "en de structuren erin zullen je in staat stellen om te koppelen aan verschillende kandidaten voor donkere materie, " zei ze. "Ik denk dat doeldiversiteit buitengewoon belangrijk is."

Het doel van deze experimenten, die naar verwachting in de komende maanden zullen beginnen, is om de technologie en technieken te ontwikkelen zodat ze kunnen worden opgeschaald voor diep-ondergrondse experimenten op andere locaties die extra bescherming zullen bieden tegen de natuurlijke regen van deeltjes "ruis" die van de zon en andere bronnen regent.

Mc Kinsey, die aan de prototype-experimenten werkt aan UC Berkeley, zei dat het vloeibare helium-experiment daar op zoek zal gaan naar tekenen van donkere materiedeeltjes die nucleaire terugslag veroorzaken - een proces waardoor een deeltjesinteractie de kern van een atoom een ​​​​lichte schok geeft waarvan onderzoekers hopen dat deze kan worden versterkt en gedetecteerd.

Een van de experimenten is om excitaties te meten van interacties van donkere materie die leiden tot de meetbare verdamping van een enkel heliumatoom.

"Als een donkeremateriedeeltje verstrooit (op vloeibaar helium), je krijgt een klodder opwinding, "Zei McKinsey. "Je zou miljoenen opwinding aan de oppervlakte kunnen krijgen - je krijgt een groot hittesignaal."

Hij merkte op dat atomen in vloeibaar helium en kristallen van galliumarsenide eigenschappen hebben waardoor ze kunnen oplichten of "scintilleren" in deeltjesinteracties. Onderzoekers zullen in eerste instantie meer conventionele lichtdetectoren gebruiken, bekend als fotomultiplicatorbuizen, en ga dan naar gevoeliger, detectoren van de volgende generatie.

"In principe, het komende jaar bestuderen we lichtsignalen en warmtesignalen, "Zei McKinsey. "De verhouding tussen warmte en licht geeft ons een idee wat elke gebeurtenis is."

Deze vroege onderzoeken zullen bepalen of de geteste technieken effectief kunnen zijn bij het detecteren van donkere materie met een lage massa op andere locaties die een omgeving met minder ruis bieden. "We denken dat dit ons in staat zal stellen om veel lagere energiedrempels te onderzoeken, " hij zei.

Nieuwe ideeën mogelijk gemaakt door nieuwe technologie

Het rapport vermeldt ook een groot aantal andere benaderingen voor het zoeken naar donkere materie met een lage massa.

"Er zijn tal van verschillende, coole technologieën die er zijn", zelfs buiten die welke in het rapport worden behandeld en die verschillende manieren gebruiken of voorstellen om donkere materie met een lage massa te vinden, zei Mc Kinsey. Sommigen van hen vertrouwen op de meting van een enkel lichtdeeltje, een foton genoemd, terwijl anderen vertrouwen op signalen van een enkele atoomkern of een elektron, of een zeer lichte collectieve trilling in atomen die bekend staat als een fonon.

In plaats van bestaande voorstellen te rangschikken, het rapport is bedoeld om "de wetenschappelijke onderbouwing te combineren met de mogelijkheden en praktische zaken. We hebben motivatie omdat we ideeën hebben en we hebben de technologie. Dat is wat opwindend is."

Hij voegde toe, "Natuurkunde is de kunst van het mogelijke."