Tři experimenty s temnou hmotou nové generace dostanou zelenou

Tento kompozitní snímek z Hubbleova vesmírného dalekohledu ukazuje přízračný

Tento kompozitní snímek z Hubbleova vesmírného dalekohledu ukazuje strašidelný prstenec temné hmoty v kupě galaxií Cl 0024+17. Předpokládá se, že prstenec vznikl dávno během titánské srážky mezi dvěma masivními kupami galaxií. Objev prstenu patří mezi nejsilnější důkazy, že temná hmota existuje. Obrázek přes NASA, ESA, M. J. Jee a H. Ford (Johns Hopkins University) a Space.com.Přečtěte si více o tomto obrázku.


Koncem minulého týdne (11. července 2014)Úřad fyziky vysokých energií amerického ministerstva energetikyaFyzikální divize National Science Foundationspolečně oznámili svou podporu experimentům v příští generaci hledání temné hmoty.Další generace, je v tomto případě definováno jako experimenty, které budou alespoň 10krát citlivější než současná množina detektorů temné hmoty. DOE a NSF říkají, že to podpoříSuper Cryogenic Dark Matter Search-SNOLAB (SuperCDMS); theExperiment LUX-Zeplin (LZ); a další iteraceAxion Dark Matter eXperiment (ADMX-Gen2). Chcete-li se dozvědět více, postupujte podle následujících odkazů:

Co je temná hmota?


Jak se SuperCDMS a LZ pokusí detekovat temnou hmotu?

Jak se ADMX-Gen2 pokusí detekovat temnou hmotu?

Celkově se předpokládá, že temná energie přispívá 73 procenty veškeré hmoty a energie ve vesmíru. Dalších 23 procent tvoří temná hmota, která ponechává pouze 4 procenta vesmíru složenou z běžné hmoty, jako jsou hvězdy, planety a lidé. Koláčový graf přes NASA

Celkově se předpokládá, že temná energie přispívá 73 procenty veškeré hmoty a energie ve vesmíru. Dalších 23 procent tvoří temná hmota, která ponechává pouze 4 procenta vesmíru složenou z běžné hmoty, jako jsou hvězdy, planety a lidé. Koláčový graf přes NASA

Co je temná hmota?Počínaje 20. stoletím studie vzdálených galaxií naznačovaly, že velká část hmoty v našem vesmíru existuje ve formě neviditelnéhotemná hmota.Fritz Zwicky navrhl myšlenku v roce 1933vysvětlit rychlost, kterou se galaxie v kupách pohybují vůči sobě navzájem. Astronomové začali mluvit ochybějící hmotaprogram. V 60.–70. letech 20. stoletíVěra Rubinováa kolegové pozorovali rychlosti, kterými rotují samotné galaxie. Dokonce i v měřítku jednotlivých galaxií astronomové zjistili, že potřebují odkazovat na neviditelnétemná hmota.


Vědci nyní věří, že 23 procent hmoty vesmíru přichází ve formě temné hmoty. Tento materiál, ať už je jakýkoli, nevyzařuje světlo ani energii, a proto není přímo vidět.

Nikdo zatím temnou hmotu nezjistil, ale vědci se v posledních letech v uvažování o ní mnohem více zdokonalili. Je tedy možné, že jeho detekce přijde brzy, zvláště když tyto nové detektory přicházejí online.

Hledání temné hmoty LUX-ZEPLIN bude umístěno hluboko pod zemí ve zlatém dole v Jižní Dakotě. (S laskavým svolením: Matthew Kapust/Sanord Underground Research Facility)

Hledání temné hmoty LUX-ZEPLIN bude umístěno hluboko pod zemí ve zlatém dole v Jižní Dakotě. Spolupráce LZ se skládá ze 128 vědců a inženýrů z 29 institucí v USA, Velké Británii, Portugalsku a Rusku. Obrázek přes Matthew Kapust/Sanord Underground Research Facility.

Super Cryogenic Dark Matter Search-SNOLAB nové generace - aka SuperCDMS - bude fungovat v nejhlubší podzemní laboratoři v Severní Americe, SNOLAB, aby poskytoval stínění před vysokoenergetickými částicemi kosmického záření. Bude zahrnovat kryogenní systém navržený tak, aby udržoval detektory při teplotách v rozmezí zlomku stupně nad absolutní nulou, a speciální čisté stínící materiály k vyloučení radioaktivního pozadí z prostředí.

Super Cryogenic Dark Matter Search-SNOLAB nové generace – aka SuperCDMS – bude fungovat v nejhlubší podzemní laboratoři v Severní Americe, SNOLAB, která se nachází 2 kilometry (1,6 mil) pod povrchem v dole Vale Creighton poblíž Sudbury, Ontario, Kanada.


Jak se SuperCDMS a LZ pokusí detekovat temnou hmotu?LZ i SuperCDMS budou hledat hypoetické částice temné hmoty tzvWIMP nebo slabě interagující masivní částice. Není známo, že by WIMP s jistotou existovaly. Jsou produktem teorií o raném vesmíru. Ale i když jsou teoretické, jejich vlastnosti lze studovat a definovat.

Kathryn Jepsen napsala v časopise Symmetry:

LZ je schopen identifikovat WIMP s širokým rozsahem hmotností, včetně těch, které jsou mnohem těžší než jakákoli částice, kterou by Velký hadronový urychlovač v CERN mohl vyprodukovat. SuperCDMS se bude specializovat na hledání lehkých WIMP s hmotností nižší než 10 GeV. (A samozřejmě jak LZ, tak SuperCDMS jsou ochotni trochu rozšířit své hranice, pokud budou vyzváni, aby si vzájemně zkontrolovali své výsledky.)

Pokud WIMP zasáhne detektor LZ, high-tech barel kapalného xenonu, bude produkovat kvanta světla, nazývaná fotony. Pokud WIMP zasáhne detektor SuperCDMS, soubor integrovaných obvodů velikosti hokejového puku vyrobených z křemíku nebo germania, vytvoří kvanta zvuku, nazývaná fonony.


Nicméně, řekl mluvčí LZ Harry Nelson z University of California, Santa Barbara:

… pokud zaznamenáte pouze jeden druh signálu, světlo nebo zvuk, můžete být oklamáni. Předstírat to může řada věcí.

Aby zůstali chráněni před nejznámějšími podvodníky – kosmickým zářením – budou SuperCDMS a LZ umístěny pod zemí – SuperCDMS v SNOLAB v Ontariu v Kanadě a LZ v Sanford Underground Research Facility v Jižní Dakotě. I tam se budou muset vypořádat s přírodní radiací z rozpadu uranu a thoria v hornině kolem nich: mluvčí SuperCDMS Blas Cabrera ze Stanfordské univerzityřekl Symmetry:

Jeden člen rozpadového řetězce, olovo-210, má poločas rozpadu 22 let. Je trochu těžké se toho dočkat.

Aby se tomu zabránilo, oba experimenty shromažďují kromě světla nebo zvuku ještě druhý signál – náboj. Poměr těchto dvou signálů jim dává vědět, zda světlo nebo zvuk pocházejí z částice temné hmoty nebo něčeho jiného.

Fyzici z University of Washington Leslie Rosenberg (vpravo) a Gray Rybka zkoumají balíček experimentu, který je umístěn nad vývrtem velkého supravodivého magnetu, dvou primárních součástí detektoru používaných v experimentu Axion Dark Matter Experiment. Axion byl poprvé navržen fyziky na konci 70. let jako řešení problému v teorii zvané kvantová chromodynamika. O axionu se s jistotou ví jen málo. Zdá se, že gravitačně reaguje na hmotu, ale jinak se zdá, že nemá žádnou jinou interakci. Od 30. let 20. století vědci věřili, že musí existovat nějaká neviditelná, ale masivní látka, jakési gravitační lepidlo, které brání rotujícím galaxiím oddělit se. Axiony, pokud ve skutečnosti existují, jsou kandidáty na vytvoření studené temné hmoty. Obrázek přes Mary Levin / University of Washington

Fyzici z University of Washington Leslie Rosenberg (vpravo) a Gray Rybka zkoumají balíček experimentu, který je umístěn nad vývrtem velkého supravodivého magnetu, dvou primárních součástí detektoru používaných v experimentu Axion Dark Matter Experiment. Axion byl poprvé navržen fyziky na konci 70. let jako řešení problému v teorii zvané kvantová chromodynamika. O axionu se s jistotou ví jen málo. Zdá se, že gravitačně reaguje na hmotu, ale jinak se zdá, že nemá žádnou jinou interakci. Od 30. let 20. století vědci věřili, že musí existovat nějaká neviditelná, ale masivní látka, jakési gravitační lepidlo, které brání rotujícím galaxiím oddělit se. Axiony, pokud ve skutečnosti existují, jsou kandidáty na vytvoření studené temné hmoty. Obrázek přes Mary Levin / University of Washington

Jak se ADMX-Gen2 pokusí detekovat temnou hmotu?S ADMX-Gen2 vědci nebudou hledat WIMP. Budou hledat jiný druh hypotetické elementární částice zvanou axion, poprvé postulovaný v roce 1977.

ADMX-Gen2 bude hledat axiony následujícím způsobem. Pokud by axion prošel magnetickým polem, mohl by se přeměnit na foton. Tým ADMX podporuje tuto transformaci umístěním svého detektoru do silného magnetického pole. Poté se pokusí změnu detekovat. Spolumluvčí ADMX-Gen2 Gray Rybka z Washingtonské univerzity v Seattluřekl Symmetry:

Je to hodně jako AM rádio.

To znamená, že detektor ADMX pomalu otáčí číselníkem a ladí se tak, aby sledoval vždy jednu hmotu axionu. Ve své stávající podobě by tomuto detektoru trvalo asi 100 let, než by experiment prošel všemi možnými kanály. Ale s přidáním superchlazené chladničky bude detektor nové generace – ADMX-Gen2 – schopen prohledávat všechny své současné kanály a mnoho dalších v rozmezí pouhých tří let.

Fyzikové říkají, že s připravovanými SuperCDMS, LZ a ADMX-Gen2 by příštích několik let hledání temné hmoty mohlo být některé z jeho nejzajímavějších.

Sečteno a podtrženo: Tři projekty byly vybrány DOE a NSF jako další generace hledačů temné hmoty. Další generace je v tomto případě definována jako experimenty, které budou alespoň 10krát citlivější než současná množina detektorů temné hmoty. DOE a NSF říkají, že podpoří experiment LUX-Zeplin (LZ); a další iterace experimentu Axion Dark Matter eXperiment (ADMX-Gen2).