Hi ha proves que la matèria fosca pot amagar-se a les fronteres de baixa energia

Taula de continguts:

Hi ha proves que la matèria fosca pot amagar-se a les fronteres de baixa energia
Hi ha proves que la matèria fosca pot amagar-se a les fronteres de baixa energia
Anonim

Els efectes misteriosos d’una nova generació de detectors de matèria fosca podrien anunciar un descobriment revolucionari. Durant l’últim any, els científics que treballen amb aquests detectors de sobte han notat un augment o un excés en la quantitat d’exposicions a baixa energia.

Fins i tot després de dècades de minucioses cerques, els científics no han estat capaços de trobar una sola partícula de matèria fosca. Els científics donen proves quasi "fèrries" de l'existència d'aquesta forma de matèria, però fins ara no s'ha pogut determinar en què consisteix, de fet,. Durant diverses dècades, els físics s’han adherit a la hipòtesi que la matèria fosca és pesada i consisteix en les anomenades partícules massives que interaccionen poc (WIMP), que suposadament es poden detectar fàcilment en condicions de laboratori.

Tot i això, malgrat molts anys d’investigació minuciosa, els científics encara no han aconseguit trobar WIMP. I els físics van emprendre la recerca amb un entusiasme encara més gran. A mesura que els investigadors duen a terme experiments cada cop més precisos, que acumulen més dades, hi ha una nova avaluació de les hipòtesis que aporten llum sobre com els detectors podrien captar partícules de matèria fosca que són més lleugeres en massa que un protó. I a principis d’aquest any al servidor de preimpressió arXiv. org, es van publicar dos articles que es van convertir en un símbol del canvi de la física. En aquests articles, els autors proposen per primera vegada centrar els esforços en la recerca de plasmons (moviments col·lectius d’electrons en la matèria) produïts per la matèria fosca.

El primer dels treballs va ser escrit per un grup de científics especialitzats en l’estudi de la matèria fosca al National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi (Fermilab) a Batavia, Illinois, així com especialistes de la Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign i de la Universitat de Chicago. Els científics han plantejat la hipòtesi que la matèria fosca de baixa massa és capaç de generar plasmons, i aquestes partícules es poden capturar mitjançant alguns detectors. Inspirats en aquest paper innovador, els físics de la UC San Diego, Tongyan Lin i Jonathan Kozaczuk, van calcular la probabilitat que els detectors siguin capaços de detectar matèria fosca de massa baixa.

"Estem cridant 'Plasmon, plasmon, plasmon!' Perquè aquest intrigant fenomen, al nostre parer, ens ajudarà a explicar els experiments amb matèria fosca", va dir el coautor del primer dels articles i expert en matèria fosca Gordan Krnjaic de Fermilab i l’Institut Kavli de Física Cosmològica de la Universitat de Chicago. Els físics de partícules, juntament amb els astrofísics, han estat reflexionant sobre el problema de la detecció de matèria fosca de massa baixa durant una dècada., matèria fosca.

"Crec que és fantàstic", exclama Yonit Hochberg, físic teòric de la Universitat Hebrea de Jerusalem, que va comentar els resultats obtinguts per l'equip de Krnjajc (tot i que Yonit no va participar directament en cap dels articles esmentats). "El fet que hi hagi [plasmons] capaços d'actuar d'alguna manera desconeguda és, al meu entendre, un resultat extremadament important que realment requereix un estudi més profund".

Alguns científics veuen els resultats del primer article publicat amb un gran escepticisme. Com va dir Kathryn Zurek, investigadora de matèria fosca a l’Institut de Tecnologia de Califòrnia, per exemple, l’article “no m’acaba de convèncer” i va afegir: “No entenc com funciona”. (Afegim que Zurek tampoc no va participar en la redacció d'aquests articles).

Al seu torn, un dels coautors del primer article Noah Kurinsky, que es dedica a activitats experimentals en el camp dels estudis de matèria fosca al Fermilab i a l’Institut de Física Cosmològica. Kavli, creu que el fet mateix de les crítiques dels experts no és gens inusual. “Els vam establir una tasca: demostrar que ens equivoquem. I això, crec, beneficiarà enormement la investigació que s’està duent a terme en aquesta àrea de la física. Això és el que haurien d’intentar fer”, diu Kurinski.

Combineu esforços

La caça de la matèria invisible, que gairebé no deixa rastre, sol fer alguna cosa així: per tal de detectar partícules de matèria fosca, els físics agafen un tros d’algun material, el col·loquen en algun lloc subterrani, el connecten a l’equip i després esperen al l'esperança de solucionar un senyal. En particular, els científics esperen que una partícula de matèria fosca impacti directament al detector, donant lloc a electrons, fotons o fins i tot calor que l'equip pot detectar.

Els enfocaments teòrics per detectar la matèria fosca es van esbossar en un article que es remunta al 1985; va descriure com es pot reutilitzar un detector de neutrins per buscar partícules de matèria fosca. Com es mostra en aquest article, una partícula de matèria fosca entrant pot colpejar el nucli atòmic de la substància a partir de la qual es fabrica el detector i donar-li un impuls, de la mateixa manera que una bola de billar, que xoca amb una altra, dóna impuls a l’última. Com a resultat d’aquesta col·lisió, la matèria fosca, que colpejava prou fort al nucli, donaria un impuls, com a conseqüència del qual sortiria un electró o un fotó.

Tot resulta fantàstic a altes energies. Els àtoms del detector es poden veure com a partícules lliures, discretes i no relacionades entre si. No obstant això, a baixes energies, la imatge canvia.

"Però els detectors no estan fets de partícules lliures", assenyala el coautor del primer article, Yonatan Kahn, de la Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign, que estudia la matèria fosca. "Només estan fets d'un material molt específic. I, per tant, heu de tenir tota la informació sobre aquest material si voleu entendre exactament com funciona realment el vostre detector."

Dins del detector, una partícula de matèria fosca de petita massa encara transmetrà impuls, però com a conseqüència de l'impacte, la resta de partícules no es dispersaran com boles en un billar, sinó que començaran a vibrar. En altres paraules, l’analogia d’una pilota de ping-pong és més adequada aquí.

"Tan bon punt passem a la matèria fosca de menor massa, llavors comencen a aparèixer altres efectes, més subtils", explica Lin. Aquests efectes subtils signifiquen allò que als físics els agrada anomenar "excitacions col·lectives". I el significat aquí és el següent: si diverses partícules es mouen simultàniament entre elles, és més convenient descriure-les com un tot únic, per exemple, com una ona sonora formada per molts àtoms vibrants.

Si els electrons comencen a comportar-se d’aquesta manera, en aquest cas sorgeixen plasmons. Si un grup de nuclis atòmics comença a vibrar, la seva excitació col·lectiva s’anomena fonó. Aquest fenomen és freqüentment trobat per astrofísics i físics d’alta energia que estudien matèria fosca; no obstant això, ho veuen irrellevant.

Però, com va comentar el difunt premi Nobel de física Philip Anderson, "més significa de manera diferent", és a dir, estem parlant de reconèixer el fet que a mesura que el sistema creix, pot tenir lleis de comportament completament diferents [que significa article de Philip Anderson, 1972. "Més és diferent", és a dir, Més és diferent, aprox. trad.]. Per exemple, una gota d’aigua es comporta de manera molt diferent a la d’una sola molècula d’aigua (H2O). "Estic completament impregnat d'aquest concepte", diu Yonathan Kahn.

Els enfocaments de producció de plasmons utilitzats en ambdós papers són una mica diferents entre si. No obstant això, els autors arriben a la mateixa conclusió: realment hem de buscar senyals que indiquin la producció de plasmons. En particular, segons els càlculs de Lin i Kozachuk, la velocitat de formació d’un plasmó per matèria fosca de massa baixa seria aproximadament una dècima part de la velocitat d’aparició d’un electró o d’un fotó. Pot semblar poc probable aquest valor, però per als físics és bastant precís.

Augment de l’energia a la foscor

Fins fa poc, els detectors més sensibles per detectar matèria fosca feien servir dipòsits gegants de xenó líquid. No obstant això, en els darrers anys, s'han substituït per una nova generació de detectors d'estat sòlid més petits. Es coneixen amb les sigles EDELWEISS III, SENSEI i CRESST-III i estan construïdes a partir de materials com germani, silici i scheelite. Aquests detectors són sensibles a les col·lisions amb matèria fosca, que només poden donar lloc a un electró.

Però tots els detectors, independentment del seu grau de protecció, són sensibles al soroll extern, les fonts del qual poden ser, per exemple, la radiació de fons. Així, durant el darrer any, els científics que treballaven amb diversos detectors de matèria fosca de sobte van començar a registrar un augment o un excés en el nombre d’impactes de baixa energia, però van passar aquest fet en silenci.

El document de Kurinski i els seus col·legues va assenyalar per primera vegada una semblança notable entre "excessos" de baixa energia que s'han observat en diversos experiments amb matèria fosca. Sembla que alguns d’aquests excessos es concentren al voltant dels 10 Hz per quilogram de massa del detector. I com que els detectors estan fets de materials diferents, es troben en llocs completament diferents i funcionen en condicions diferents entre si, aleshores no hi ha cap altra raó universal per a aquesta estranya consistència, llevat de la subtil influència de la matèria fosca. El debat científic que va seguir va atreure l'atenció d'altres físics, com Lin, que es va posar ràpidament a treballar les matemàtiques relacionades amb el plasmó. Però fins i tot Lin dubta: i si els resultats dels experiments realitzats actualment indiquen que els plasmons no són generats per matèria fosca, sinó per una altra cosa? “No dic que la matèria fosca no sigui la causa. Només dic que la matèria fosca em sembla fins ara un factor poc convincent ", diu Lin.

Aquesta hipòtesi es posarà a prova i es comprovarà repetidament a mesura que les noves dades provinguin dels darrers detectors de matèria fosca. Però no importa si els detectors actualment detecten la substància misteriosa o no. Ara els científics que treballen en aquesta àrea de la física estan estudiant plasmons i altres formes de comportament de la matèria fosca de massa baixa. La investigació està en curs.

"No excloo que hem comès molts errors, però tots desperten interès per ells mateixos", diu Krzaych.

Recomanat: