Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các hạt vật chất tối đã được lý thuyết hóa vẫn chưa xuất hiện ở nơi các nhà khoa học mong đợi chúng. Vì vậy, các nhà nghiên cứu hiện đang thiết kế các thí nghiệm mới cũng như sử dụng các phương pháp chưa được kiểm tra trước đây với tốc độ hơn để có thể tìm kiếm vật chất tối trong phạm vi khối lượng và các năng lượng hạt chưa được khám phá trước đó.
Việc tìm kiếm vật chất tối đang mở rộng và thu hẹp phạm vi nghiên cứu.
Trong khi vật chất tối có rất nhiều trong vũ trụ vì đó là dạng vật chất phổ biến nhất (chiếm khoảng 85% tổng số vũ trụ) nhưng nó vẫn đang ẩn mình ngay trong tầm nhìn của chúng ta. Chúng ta vẫn chưa biết nó được làm từ gì, mặc dù chúng ta có thể chứng kiến lực hấp dẫn của nó đối với vật chất đã biết.
Các hạt lớn tương tác đã được lý thuyết hóa hay WIMP là một trong số các nghi phạm có khả năng bao gồm vật chất tối nhưng chúng vẫn chưa xuất hiện ở nơi các nhà khoa học mong đợi chúng.
Tăng cường đúc nhiều lưới nhỏ hơn
Vì vậy, các nhà khoa học hiện đang tăng cường nỗ lực của họ bằng cách thiết kế các thí nghiệm mới và sử dụng các phương pháp chưa được kiểm tra trước đây nhanh hơn để có thể tìm kiếm vật chất tối trong các phạm vi khối lượng và năng lượng chưa được khám phá trước đó. Cách tiếp cận mới thay vì dựa vào một số “lưới” thí nghiệm lớn để cố gắng bẫy một loại vật chất tối thì giờ chúng giống như đúc nhiều lưới nhỏ hơn với lưới mịn hơn nhiều.
Vật chất tối có thể “nhẹ hơn” hoặc có khối lượng thấp hơn và năng lượng chậm hơn so với suy nghĩ trước đây. Nó có thể bao gồm các hạt siêu nhẹ theo lý thuyết giống như sóng. Nó có thể được tạo ra bởi một “vương quốc hoang dã” chứa đầy các loài hạt chưa được phát hiện. Và nó có thể không bao gồm các hạt.
Động lực đã được xây dựng cho các thí nghiệm vật chất tối có khối lượng thấp, có thể mở rộng sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về cấu tạo vật chất như được thể hiện trong Mô hình chuẩn của vật lý hạt, Kathryn Zurek, nhà khoa học và nhà vật lý lý thuyết cao cấp của Bộ Năng lượng Lawrence Berkeley Phòng thí nghiệm quốc gia (Phòng thí nghiệm Berkeley).
Zurek người cũng liên kết với UC Berkeley và là người tiên phong trong việc đề xuất các lý thuyết vật chất tối khối lượng thấp và các cách khả thi để phát hiện ra nó.
Có những ý tưởng lý thuyết đã tồn tại trong một thập kỷ hoặc lâu hơn và những phát triển mới trong công nghệ như những tiến bộ mới trong cảm biến lượng tử và vật liệu dò cũng đã giúp thúc đẩy các thí nghiệm mới.
Lĩnh vực này đã trưởng thành và nở rộ trong thập kỷ qua. Nó đã trở thành xu hướng và đây không còn là rìa nữa. Các cuộc thảo luận về vật chất tối có khối lượng thấp đã chuyển từ các hội nghị và hội thảo nhỏ sang một phần của chiến lược tổng thể trong việc tìm kiếm vật chất tối.
Báo cáo nổi bật cần tìm kiếm vật chất tối “nhẹ” khối lượng thấp
Nghiên cứu liên quan đến vật chất tối của Zurek và các nhà nghiên cứu khác của Berkeley Lab được nhấn mạnh trong báo cáo DOE, “Nhu cầu nghiên cứu cơ bản cho các dự án nhỏ của Dark Matter,” dựa trên Hội thảo Vật lý năng lượng cao tháng 10 năm 2018 về Dark Matter. Zurek và Dan McKinsey, một nhà khoa học cao cấp của khoa Lab Lab và giáo sư vật lý UC Berkeley, từng là đồng trưởng nhóm trong một hội thảo tập trung vào các kỹ thuật phát hiện trực tiếp vật chất tối, và bảng này đã đóng góp cho báo cáo.
Báo cáo đề xuất tập trung vào các thí nghiệm quy mô nhỏ với chi phí dự án từ 2 triệu đô la đến 15 triệu đô la để tìm kiếm các hạt vật chất tối có khối lượng nhỏ hơn một proton. Proton là các hạt hạ nguyên tử trong mỗi hạt nhân nguyên tử, mỗi hạt nặng gấp khoảng 1.850 lần so với một electron.
Trong báo cáo cũng nếu rõ nỗ lực tìm kiếm mới có khối lượng thấp hơn này sẽ có “mục tiêu bao trùm là cuối cùng cũng hiểu được bản chất của vật chất tối của vũ trụ”.
Trong một nỗ lực liên quan, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ năm nay đã thu hút các đề xuất cho các thí nghiệm vật chất tối mới với thời hạn 30 tháng 5 và Berkeley Lab đã tham gia vào quá trình đề xuất.
3 ưu tiên trong tìm kiếm mở rộng
Báo cáo nhấn mạnh ba hướng nghiên cứu ưu tiên chính trong việc tìm kiếm vật chất tối có khối lượng thấp mà “cần thiết để đạt được độ nhạy rộng và … để đạt được các mốc quan trọng khác nhau”:
Trục này, nếu nó tồn tại cũng có thể giúp giải thích các tính chất liên quan đến lực mạnh của vũ trụ, chịu trách nhiệm giữ hầu hết vật chất với nhau – ví dụ, nó liên kết các hạt lại với nhau trong hạt nhân nguyên tử.
Các tìm kiếm về dạng vật chất tối truyền thống của WIMP đã tăng độ nhạy khoảng 1.000 lần trong thập kỷ qua.
Các nhà khoa học Berkeley đang xây dựng các thí nghiệm nguyên mẫu
Các nhà nghiên cứu của Berkeley Lab và UC Trước tiên sẽ tập trung vào các tinh thể helium và gallium arsenide lỏng để tìm kiếm các tương tác hạt vật chất tối khối lượng thấp trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm nguyên mẫu hiện đang được phát triển tại UC Berkeley.
“Phát triển vật liệu cũng là một phần của câu chuyện, và cũng suy nghĩ về các loại kích thích khác nhau” trong các vật liệu dò, Zurek nói.
Bên cạnh helium và gallium arsenide lỏng, các vật liệu có thể được sử dụng để phát hiện các hạt vật chất tối rất đa dạng và các cấu trúc trong chúng sẽ cho phép bạn kết hợp với các ứng cử viên vật chất tối khác nhau. Sự đa dạng mục tiêu là vô cùng quan trọng.
Mục tiêu của các thí nghiệm này, dự kiến sẽ bắt đầu trong vài tháng tới là phát triển công nghệ và kỹ thuật để chúng có thể được nhân rộng cho các thí nghiệm dưới lòng đất sâu tại các địa điểm khác sẽ cung cấp thêm lớp chắn từ mưa hạt tự nhiên “Tiếng ồn” mưa từ mặt trời và các nguồn khác.
McKinsey, người đang thực hiện các thí nghiệm nguyên mẫu tại UC Berkeley, nói rằng thí nghiệm helium lỏng ở đó sẽ tìm kiếm bất kỳ dấu hiệu nào của các hạt vật chất tối gây ra sự giật hạt nhân – một quá trình qua đó một tương tác hạt tạo ra hạt nhân của một nguyên tử. các nhà nghiên cứu hy vọng có thể được khuếch đại và phát hiện.
Một trong những thí nghiệm tìm cách đo sự kích thích từ các tương tác vật chất tối dẫn đến sự bay hơi có thể đo được của một nguyên tử helium.
Nếu một hạt vật chất tối phân tán (trên helium lỏng), bạn sẽ nhận được một đốm kích thích. Bạn có thể nhận được hàng triệu kích thích trên bề mặt – bạn nhận được tín hiệu nhiệt lớn.
Lưu ý rằng các nguyên tử trong helium lỏng và tinh thể gallium arsenide có các tính chất cho phép chúng phát sáng hoặc “scintillate” trong các tương tác hạt. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu sẽ sử dụng các máy dò ánh sáng thông thường hơn, được gọi là ống nhân quang, sau đó chuyển sang các máy dò thế hệ tiếp theo nhạy hơn.
“Về cơ bản, trong năm tới chúng tôi sẽ nghiên cứu các tín hiệu ánh sáng và tín hiệu nhiệt. Tỷ lệ nhiệt với ánh sáng sẽ cho chúng ta ý tưởng mỗi sự kiện là gì.
Những nghiên cứu ban đầu này sẽ xác định liệu các kỹ thuật được thử nghiệm có thể có hiệu quả trong việc phát hiện vật chất tối khối lượng thấp tại các địa điểm khác cung cấp môi trường có độ ồn thấp hơn hay không. Các nhà khoa học nghĩ rằng điều này sẽ cho phép họ thăm dò các ngưỡng năng lượng thấp hơn nhiều.
Ý tưởng mới được kích hoạt bởi công nghệ mới
Báo cáo cũng lưu ý một loạt các phương pháp khác để tìm kiếm vật chất tối có khối lượng thấp.
Có rất nhiều công nghệ khác nhau tuyệt vời ngoài kia thậm chí vượt xa những công nghệ được nêu trong báo cáo đang sử dụng hoặc đề xuất các cách khác nhau để tìm ra vật chất tối có khối lượng thấp. Một số trong số chúng dựa vào phép đo của một hạt ánh sáng, được gọi là photon, trong khi một số khác dựa vào tín hiệu từ hạt nhân nguyên tử hoặc electron, hoặc rung động tập thể rất nhẹ trong các nguyên tử được gọi là phonon.
Thay vì xếp hạng các đề xuất hiện có, báo cáo nhằm “kết hợp sự hợp lý khoa học với khả năng và thực tiễn. Các nhà khoa học có động lực vì họ có ý tưởng và họ đã có công nghệ thú vị đó.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Lawrence Berkeley . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.