Je kunt het niet zien. Je kunt het niet voelen. Maar de stof die wetenschappers donkere materie noemen, kan vijf keer zoveel "spul" in het universum uitmaken als de gewone materie die alles vormt, van bomen, treinen en de lucht die je inademt, naar sterren, planeten en interstellaire stofwolken.

Hoewel wetenschappers de signatuur van donkere materie indirect zien in de manier waarop grote objecten om elkaar heen draaien - met name hoe sterren rond de centra van spiraalvormige sterrenstelsels wervelen - weet nog niemand waaruit deze substantie bestaat. Een van de kandidaten is een Z'-boson, een fundamenteel deeltje waarvan is aangenomen dat het bestaat, maar nooit is gedetecteerd.

Een nieuw voorgesteld experiment kan wetenschappers helpen bepalen of Z'-bosonen echt zijn, op die manier een mogelijke kandidaat voor donkere materie identificeren. Om deze taak te volbrengen, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), de Rijksuniversiteit Groningen in Nederland, het Canadese deeltjesversnellercentrum TRIUMF en andere medewerkers werken aan de meest nauwkeurige metingen tot nu toe van een nucleair eigendom dat uiterst moeilijk te meten is, nucleaire spin-afhankelijke pariteitsschending (NSD-PV) genoemd.

Het fysieke experiment - dat nog niet is gebouwd - zou een fonteinontwerp hebben dat lijkt op de atomaire fonteinen die wetenschappers momenteel gebruiken als de standaard voor tijdwaarneming. Echter, in plaats van solitaire atomen, het experiment zou moleculen gebruiken die elk uit drie atomen bestaan. Momenteel heeft niemand een moleculaire fontein gebouwd met moleculen die elk meer dan twee atomen bevatten. In aanvulling, in tegenstelling tot eerdere, vergelijkbare benaderingen, de voorgestelde methode zou zich richten op lichtere atomen, zoals koolstof, die gemakkelijker te modelleren zijn dan zwaardere, zoals het cesium dat wordt gebruikt in NIST-fonteinklokken.

De krant van het team, deze week gepubliceerd in Fysieke beoordeling A , bevat een voorstel voor het experiment en de beste berekeningen tot nu toe van de metingen die de onderzoekers konden verwachten. In hun nieuwe berekeningen onderzoekers konden voorspellen wat het NSD-PV-signaal zou moeten zijn met een onzekerheid van slechts 10% - een veel hogere nauwkeurigheid dan ooit tevoren, aldus de onderzoekers. Als het signaal dat wetenschappers uiteindelijk verkrijgen aanzienlijk groter is dan hun berekeningen voorspellen, het zou potentieel een signatuur zijn van nieuwe fysica - fysica die verder gaat dan het raamwerk van ons begrip van het universum.

"In dit werk, we combineren onze nieuwe experimentele technieken met de ultramoderne nucleaire en moleculaire berekeningen van onze medewerkers, wat een pad opent naar het meten van enkele van de minst bekende eigenschappen van fundamentele deeltjes die we kunnen meten, " zei NIST-onderzoeker Eric Norrgard.

Wat is het grote idee?

Het NSD-PV-effect dat de focus van dit werk is, is gerelateerd aan de zwakke kracht, een van de vier fundamentele krachten van het universum. De zwakke kracht is verantwoordelijk voor radioactief verval en fusie, die het ene soort atoom in het andere veranderen. Het speelt ook een rol bij de krachten die ervoor zorgen dat elektronen rond atoomkernen blijven draaien.

In tegenstelling tot de andere fundamentele krachten, de zwakke kracht ervaart iets dat pariteitsschending wordt genoemd, die daadwerkelijk werd ontdekt bij het National Bureau of Standards (NBS), de organisatie die uiteindelijk NIST werd. Pariteitsschending is wanneer, in grote lijnen, het omkeren van de ruimtelijke coördinaten van een object keert zijn gedrag niet om. (Als je vijf vingers in een spiegel opsteekt, en je spiegelbeeld houdt er vier op, dat is een pariteitsschending!)

In het geval van de NSD-PV, onderzoekers verwachten een soort van pariteitsschending. Waar ze specifiek naar op zoek zijn, zijn aberraties in het pariteitsschendingssignaal - een meting van de schending die anders is dan wat ze verwachten.

Als hun beste wiskundige modellen hen vertellen dat het NSD-PV-signaal x moet zijn, maar hun beste metingen laten zien dat het signaal eigenlijk y is, dan kan dat een teken zijn dat de basis voor de modellen niet klopt - wat erop kan wijzen dat het universum anders werkt dan we dachten. Dat is het belang van het meten van de NSD-pariteitsschending.

De meeste groepen die de NSD-PV meten kijken naar systemen waar het effect het grootst zou moeten zijn, in relatief zware atomen - atomen met een groter aantal protonen en neutronen. Voorbeelden zijn de metalen cesium (55 protonen) en barium (56 protonen).

Maar zelfs met zware atomen, het effect was nog zo klein dat slechts één team in de jaren negentig enig signaal kon zien.

De Nederlanders, Onderzoekers en medewerkers van TRIUMF en NIST besloten een andere aanpak te kiezen. Wat als ze in plaats daarvan naar het effect in lichtere atomen zochten?

Een unieke aanpak

Zware atomen hebben meer neutronen, protonen en elektronen, en dit maakt het moeilijk om hun gedrag te berekenen. Door naar lichter te kijken, eenvoudiger atomen, wetenschappers kunnen het systeem met een hogere nauwkeurigheid modelleren. Dit betekent dat hoewel de onderzoekers zullen zoeken naar een kleiner effect, ze kunnen er zekerder van zijn als ze het zien dat het onverwacht is.

Om hun berekeningen te maken, onderzoekers gericht op drie-atoom moleculen gevormd uit combinaties van de relatief lichte elementen beryllium (4 protonen), koolstof (6 protonen), stikstof (7 protonen), en magnesium (12 protonen). Voor het voorgestelde fysieke experiment, wetenschappers zullen deze moleculen manipuleren met behulp van een fonteinontwerp.

Natuurkundigen werken al tientallen jaren met atoomfonteinen. Ze zijn zo'n robuuste technologie dat ze dienen als de standaard voor tijdregistratie over de hele wereld. Om een ​​fontein te maken, onderzoekers gebruiken lasers om atomen af ​​te koelen totdat ze bijna niet meer bewegen. Vervolgens gebruiken wetenschappers magneten om de stationaire atomen in vacuüm omhoog te schieten. Wanneer ze de top van hun boog bereiken, zwaartekracht trekt ze terug naar beneden.

Terwijl ze op deze gecontroleerde manier worden gemanipuleerd, de atomen worden onderzocht door een andere laser die ervoor zorgt dat ze fluoresceren. Effectief, wetenschappers kunnen vertellen in welke kwantumtoestand de componenten van de moleculen zich bevinden op basis van de kleur van het licht dat ze afgeven terwijl ze worden onderzocht.

De voorgestelde studie zal vergelijkbaar zijn, behalve dat in plaats van enkele atomen de fontein moleculen van drie atomen zal manipuleren.

Het uitvoeren van het experiment zelf zal ingewikkeld zijn - heel ingewikkeld, Norrgard zei, omdat het vangen van moleculen met drie atomen nog steeds veel verder gaat dan de stand van de techniek. Nog altijd, onderzoekers zijn bereid om met de extra complicatie om te gaan, omdat het NSD-PV-signaal in moleculen naar verwachting ongeveer een biljoen keer groter is dan in individuele atomen.

"Op dit moment bij NIST, we werken aan het koelen en opsluiten van chemisch gelijkaardige twee-atomige moleculen met twee atomen, wat nog steeds erg moeilijk is!" zei Norrgard. "Maar de technieken, apparatuur en ervaring die nodig zijn om diatomische moleculen te vangen, zullen ons helpen te informeren over hoe grote moleculen kunnen worden gevangen en ons in staat stellen de meting uit te voeren, " wat wetenschappers een stap dichterbij zou kunnen brengen om te bepalen of Z'-bosonen bestaan.