Physiker planen, keine einzige Gelegenheit zu verpassen: ob dunkle Materie verschiedene Arten von Detektoren beeinflusst, ob sich das Licht der Sterne biegt, ob sich die Kerne der Planeten erwärmen und ob es sich in Gesteinen ablagert.
Chart Optionen Masse von Teilchen der Dunklen Materie (anklickbar)
Seitdem wie in den 1980er Jahren vereinbarten sie , dass der größte Teil der Masse im Universum ist für uns unsichtbar, und dass diese „dunkle Materie“ sollte die Galaxie vor der Zerstörung und halten zu Form durch die Schwerkraft Aussehen des ganzen Kosmos Die Experimentatoren suchten nach diesen nicht leuchtenden Partikeln.
Sie suchten zunächst nach einer schweren und langsamen Form dunkler Materie, die als schwach wechselwirkende massive Teilchen bezeichnet wird.(schwach wechselwirkende massive Partikel, WIMP) - Weicheier. Dieser frühe Kandidat war einer der am meisten bevorzugten Kandidaten für die Rolle der verlorenen kosmischen Materie - er konnte ein anderes, von der Teilchenphysik getrenntes Rätsel lösen. Seit Jahrzehnten bauen Physiker immer größere Ziele in Form von Kristallen und Tonnenreservoirs exotischer Flüssigkeiten, in der Hoffnung, das seltene Flackern in Atomen zu erfassen, das nach der Kollision mit WIMPs auftritt.
Aber die Detektoren schwiegen, und die Physiker beginnen zunehmend, über ein breiteres Spektrum von Möglichkeiten zu spekulieren. Auf der massiveren Seite des Spektrums, so heißt es, kann die unsichtbare Materie des Universums zusammenklumpen und schwarze Löcher bilden, die von einem Stern wiegen. Im anderen Extremfall kann sich dunkle Materie in einem dünnen Dunst von Partikeln fortbewegen, der Tausende von Billionen Billionen Mal leichter ist als ein Elektron.
Neue Hypothesen bringen neue Nachweismethoden mit sich. Catherine Zurek, eine theoretische Physikerin am California Institute of Technology, sagt, wenn wir in den aktuellen WIMP-Experimenten nichts sehen, "wird sich viel Forschung auf diesem Gebiet auf diese neuen Experimente verlagern."
Und die Arbeit hat bereits begonnen. Hier sind einige der vielen neuen Grenzen auf der Suche nach dunkler Materie.
Zwischen einem Elektron und einem Proton
Die WIMPs hätten genug Masse, um ganze Atome wie eine Bowlingkugel niederzuschlagen. Falls die dunkle Materie jedoch heller ist, werden in einigen Experimenten hellere Stifte hergestellt.
Ein leichter Regen von Teilchen der dunklen Materie, die weniger als ein Proton wiegen, kann manchmal Elektronen aus den Atomen schlagen, die sie enthalten. Das erste Experiment, das speziell zur Erfassung dieser dunklen Materie entwickelt wurde, ist das CCD-Experimentalinstrument ( SENSEI ) für Sub-Electron-Noise-Skipper , das eine ähnliche Technologie wie Digitalkameras verwendet. Es verstärkt Signale von unerwartet beschleunigten Elektronen, die in der Substanz auftreten.
Als der SENSEI-Prototyp eingeschaltet wurde und ein Zehntel Gramm Silizium darin platziert wurde, fand er keine dunkle Materie. Die vom Team im Jahr 2018 veröffentlichten Ergebnisse schlossen jedoch bestimmte Modelle sofort aus.
"Sobald wir es einschalteten , bekamen wir sofort die besten Einschränkungen der Welt", sagte Tien-Tien Yu , Physiker an der University of Oregon und Mitglied des SENSEI-Teams. "Weil es vorher keine Einschränkungen gab."
Aktuelle ErgebnisseDie Zwei-Gramm-Version des SENSEI-Experiments hat diese Einschränkungen erweitert, und jetzt bereiten Yu und Kollegen die Implementierung der 10-Gramm-Version im unterirdischen Labor Kanadas vor, weg von störenden kosmischen Strahlen. Andere Gruppen entwickeln alternative kostengünstige Versionen von Experimenten, die auf ähnliche, leicht erreichbare Ergebnisse abzielen.
Auf dem Weg zur Erleichterung
Wenn dunkle Materie noch heller oder nicht anfällig für elektrische Ladungen ist, werden keine Elektronen ausgeschaltet. Tsyurek entwickelte Brainstorming-Methoden, mit denen selbst ein so geringer Teil ihrer Anwesenheit von Partikelgruppen beeinflusst werden kann.
Stellen Sie sich einen Siliziumblock in Form einer Matratze vor, deren Quellen Atomkerne sind. Wenn Sie eine kleine Münze in eine solche Matratze werfen, sagt Tsyurek, bewegt sich keine der Federn zu stark. Die Münze verursacht jedoch eine Welle, die sich dann durch viele Federn bewegt. 2017 schlug sie vor, dass eine ähnliche Störung durch dunkle Materie Schallwellen erzeugen könnte, die das System leicht erwärmen.
Eines der Projekte auf diesem Weg ist Tesseract, arbeitet jetzt im Keller der University of California in Berkeley. Er sucht nach Wellen, die von Partikeln der dunklen Materie erzeugt werden und deren Gewicht denen ähnelt, nach denen SENSEI sucht. Zukünftige Versionen des Experiments werden es jedoch theoretisch ermöglichen, nach Partikeln zu suchen, die tausendmal leichter sind.
Es gibt jedoch auch mehr lilliputanische Möglichkeiten. Dunkle Materie kann aus Axionen bestehen - Teilchen, die so leicht sind, dass sie eher wie Wellen als wie Teilchen aussehen. Es würde auch das Rätsel der starken Atomkraft lösen . Vor kurzem begann das Axion Dark Matter Experiment ( ADMX ) nach Axionen zu suchen, die in einem starken Magnetfeld in Photonenpaare zerfallen. Einige andere ähnliche Experimente beginnen zu funktionieren.
Einige Experimente zielen auf noch leichtere Partikel ab. Die kleinste Masse, die ein Teilchen der dunklen Materie theoretisch besitzen kann, ist tausend Billionen Billionen Mal weniger als die Masse eines Elektrons. Es wäre ein Teilchen mit einer Welle mit extrem niedriger Energie und einer Wellenlänge, die mit dem Durchmesser einer kleinen Galaxie vergleichbar ist. Noch weniger schwere Partikel wären im Weltraum zu verschmiert und könnten nicht erklären, warum Galaxien nicht auseinanderfallen.
Hinweise von oben
Während einige Experimentatoren die nächste Generation von Geräten vorbereiten, um direkten Kontakt mit dunkler Materie herzustellen, planen andere, den Himmel auf der Suche nach indirekten Anzeichen dafür zu kämmen.
Es wird angenommen, dass Galaxien und Sterne riesige Wolken dunkler Materie erzeugen, die durch Gravitation sichtbare Materie ziehen. Wenn es jedoch kleine Cluster dunkler Materie gibt, können sie dies nicht. Diese bescheidenen Klumpen wären völlig dunkel, würden aber das vorbeiziehende Sternenlicht immer noch biegen. Eine Gruppe von Forschern sucht nach Anzeichen für diese "Linsenbildung" des Sternenlichts durch Klumpen dunkler Materie in Daten des Gaia -Weltraumteleskops, das derzeit in Betrieb ist .
"Dunkle Strukturen bewegen sich durch unsere Galaxie", sagte Anna-Maria Taki , Physikerin an der University of Oregon und Mitglied der Gruppe. "Wenn sie sich bewegen, verzerren sie den Ort, die Bewegung und die Flugbahnen von Lichtquellen."
Vorläufige Ergebnisse , die im September veröffentlicht wurden, zeigten nicht das Vorhandensein solcher Strukturen, deren Masse mehr als 100 Millionen Sonnen betragen würde. Die Forscher hoffen auf größere Datenbanken, in denen kleinere Wolken gefunden werden können. Und basierend auf der Größe und Form dieser hypothetischen Strukturen werden Wissenschaftler bereits verstehen können, wie Teilchen der dunklen Materie miteinander interagieren.
Andere Forscher haben einen Weg gefunden, den schnell wachsenden Katalog von Exoplaneten für die Suche anzupassen. "Es gibt nur Milliarden dieser Dinge", sagte Rebecca Lin , Teilchenphysikerin am SLAC National Accelerator Laboratory und Mitautorin des September-Vorschlags .
Die Idee ist, dass ein Planet, der durch die Milchstraße fliegt, dunkle Materie in seinem Kern ansammeln könnte. Teilchen dieser dunklen Materie, die mit ihren Antiteilchen vernichtet werden, erhitzen den Planeten. Exoplaneten, die näher am Zentrum der Galaxie liegen, passieren dichtere Cluster dunkler Materie, sodass sie im Infrarotbereich heller leuchten sollten. Lin und Kollegen berechneten, dass, wenn das zukünftige James Webb-Weltraumteleskop die Temperatur von mehreren tausend Exoplaneten messen kann, in einem solchen Datensatz Anzeichen einer Vernichtung von Teilchen der dunklen Materie berücksichtigt werden können, deren Masse im Bereich zwischen einem Elektron und einem Proton liegt.
Dunkle Materie ist überall
Die Weicheier mögen im Niedergang sein, aber sie wurden noch nicht vollständig aufgegeben. Im kommenden März wird das Gran Sasso National Laboratory in Italien ein Experiment mit einem 4-Tonnen-Xenon-Tank starten . Das südkoreanische Team Cosine-100 möchte eine umstrittene Behauptung von Teilnehmern eines anderen Experiments in Gran Sasso, DAMA, testen. In letzterem Fall zeichnete eine Reihe von Natriumiodidkristallen genau die Art der saisonalen Änderungen der Daten auf, die auftreten sollten, wenn die Erde verschiedene Seiten des "Windes" der dunklen Materie, durch den sie hindurchgeht, setzt. „Sie haben zweifellos eine jährliche Modulation. Aber woher kommt es? " Sagte Catherine Fries , Astrophysikerin an der University of Texas in Austin. "Wir können das nicht verstehen."
Fries 'Berechnungen haben dazu beigetragen, die Ära der WIMP-Experimente einzuleiten. Jetzt hat sie neue Ideen, um diese Partikel zu finden. 2018 schlug sie vor, dass Weicheier mehrere Kilometer tief in Felsen enthalten sein könnten, und schloss sich kürzlich einem Vorschlag an, sie auszugraben.
Viele Physiker erwarten, dass dunkle Materie sowohl apathisch als auch allgegenwärtig ist. Wenn sie sich genügend Möglichkeiten ausdenken können, um das Unsichtbare zu spüren, kann sich sein unsichtbarer Einfluss überall manifestieren. Diese Methoden umfassen das Erfassen verschiedener Detektortypen, das Verzerren des Sternenlichts, das Erhitzen der Planetenkerne und sogar das Ansammeln in Steinen.
"Alles kann ein Detektor für dunkle Materie sein", sagte Lin. "Man muss nur kreativ genug sein, um herauszufinden, wie man es benutzt."