Sinds de jaren tachtig, onderzoekers hebben experimenten uitgevoerd op zoek naar deeltjes waaruit donkere materie bestaat, een onzichtbare substantie die onze melkweg en ons universum doordringt. Bedacht donkere materie omdat het geen licht afgeeft, deze stof, die meer dan 80 procent van de materie in ons universum uitmaakt, is herhaaldelijk aangetoond dat het gewone materie beïnvloedt door zijn zwaartekracht. Wetenschappers weten dat het er is, maar weten niet wat het is.

Dus onderzoekers van Caltech, onder leiding van Kathryn Zurek, een professor in de theoretische natuurkunde, terug naar de tekentafel om nieuwe ideeën te bedenken. Ze hebben de mogelijkheid onderzocht dat donkere materie bestaat uit "verborgen sector"-deeltjes, die lichter zijn dan eerder voorgestelde deeltjes, en kon, in theorie, gevonden worden met behulp van kleine, ondergrondse tafeltoestellen. In tegenstelling tot, wetenschappers zijn op zoek naar zwaardere kandidaten voor donkere materie, WIMP's genaamd (zwak interagerende massieve deeltjes) met behulp van grootschalige experimenten zoals XENON, die ondergronds is geïnstalleerd in een 70, 000 gallon watertank in Italië.

"Donkere materie stroomt altijd door ons heen, zelfs in deze kamer", zegt Zurek, die meer dan tien jaar geleden voor het eerst verborgen sectordeeltjes voorstelde. "Terwijl we door het centrum van de melkweg bewegen, deze gestage wind van donkere materie blijft meestal onopgemerkt. Maar we kunnen nog steeds profiteren van die bron van donkere materie, en ontwerp nieuwe manieren om te zoeken naar zeldzame interacties tussen de wind van donkere materie en de detector."

In een nieuw artikel dat is geaccepteerd voor publicatie in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , de natuurkundigen schetsen hoe de lichtere donkere materiedeeltjes kunnen worden gedetecteerd via een soort quasideeltje dat bekend staat als een magnon. Een quasideeltje is een opkomend fenomeen dat optreedt wanneer een vaste stof zich gedraagt ​​​​alsof het zwak interagerende deeltjes bevat. Magnons zijn een soort quasideeltjes waarin elektronenspins - die werken als kleine magneten - collectiviteit worden geëxciteerd. In het idee van de onderzoekers voor een tafelexperiment, een magnetisch gekristalliseerd materiaal zou worden gebruikt om te zoeken naar tekenen van opgewonden magnonen die worden gegenereerd door donkere materie.

"Als de donkere materiedeeltjes lichter zijn dan het proton, het wordt erg moeilijk om hun signaal met conventionele middelen te detecteren, " zegt studie auteur Zhengkang (Kevin) Zhang, een postdoctoraal onderzoeker bij Caltech. "Maar, volgens vele goed gemotiveerde modellen, vooral die met verborgen sectoren, de donkere materiedeeltjes kunnen koppelen aan de spins van de elektronen, zodanig dat zodra ze het materiaal raken, ze zullen spin-excitaties induceren, of magnonen. Als we het achtergrondgeluid verminderen door de apparatuur te koelen en ondergronds te verplaatsen, we zouden kunnen hopen magnons te detecteren die uitsluitend door donkere materie worden gegenereerd en niet door gewone materie."

Een dergelijk experiment is op dit moment alleen theoretisch, maar kan uiteindelijk plaatsvinden met behulp van kleine apparaten die ondergronds zijn gehuisvest, waarschijnlijk in een mijn, waar invloeden van buitenaf van andere deeltjes, zoals die in kosmische straling, kan worden geminimaliseerd.

Een veelbetekenend teken van detectie van donkere materie in de tafel-experimenten zijn veranderingen in het signaal die afhankelijk zijn van het tijdstip van de dag. Dit komt door het feit dat de magnetische kristallen die zouden worden gebruikt om de donkere materie te detecteren, anisotroop kunnen zijn, wat betekent dat de atomen van nature zo zijn gerangschikt dat ze de neiging hebben om sterker te interageren met de donkere materie wanneer de donkere materie uit bepaalde richtingen komt.

"Terwijl de aarde door de galactische halo van donkere materie beweegt, het voelt de wind van donkere materie waaien vanuit de richting waarin de planeet beweegt. Een detector die op een bepaalde locatie op aarde is bevestigd, draait met de planeet mee, dus de wind van donkere materie raakt het vanuit verschillende richtingen op verschillende tijdstippen van de dag, zeggen, soms van bovenaf, soms vanaf de zijkant " zegt Zhang.

"Tijdens de Dag, bijvoorbeeld, u kunt een hogere detectiegraad hebben wanneer de donkere materie van bovenaf komt dan van de zijkant. Als je dat zag, het zou behoorlijk spectaculair zijn en een zeer sterke aanwijzing dat je donkere materie zag."

De onderzoekers hebben andere ideeën over hoe donkere materie zich kan openbaren, naast door middel van magnonen. Ze hebben voorgesteld dat de lichtere donkere materiedeeltjes zowel via fotonen als met een ander type quasideeltje, een fonon, kunnen worden gedetecteerd. die wordt veroorzaakt door trillingen in een kristalrooster. Voorlopige experimenten op basis van fotonen en fononen zijn aan de gang bij UC Berkeley, waar het team was gevestigd voordat Zurek in 2019 bij de Caltech-faculteit kwam werken. De onderzoekers zeggen dat het gebruik van deze meerdere strategieën om naar donkere materie te zoeken cruciaal is omdat ze elkaar aanvullen en elkaars resultaten zouden helpen bevestigen.

"We zijn op zoek naar nieuwe manieren om naar donkere materie te zoeken, omdat, gezien hoe weinig we weten over donkere materie, het is de moeite waard om alle mogelijkheden te overwegen, " zegt Zhang.