技术创新

新的暗物质探测器将比黑暗物质更敏感100倍

一个科学家小组正在构建一个名为Lux-Zeplin的暗物质探测器Lux的超大版本,该暗物质探测器的灵敏度比其前身大约高出100倍。 /

“真正给我留下深刻印象的是这次旅行下来,”天体物理学家詹姆斯巴克利博士说,他谈到了他前往地下暗物质实验现场的垂直英里。 “你可以看到你正在移动一个非常好的剪辑,顺便说一下,它比笼子里用来放下时的速度慢三倍。我们花了10分钟才得到一英里。你只是看着地球一闪一闪,每隔一段时间你会经过一条登上的隧道。“

该矿是Homestake Mine,这是南达科他州Lead的一个展出的金矿,已经转变为地下室的沃伦,这些地下室需要屏蔽宇宙辐射。

其中一个实验是勒克斯检测器,用于检测WIMPs(弱相互作用的大质量颗粒)。 WIMP是假想的亚原子粒子,被认为是构成暗物质的方式,就像电子和夸克组成普通物质一样。但与其他粒子相比,WIMP难以捉摸,与普通物质的相互作用很少,到目前为止勒克斯还没有发现任何物质。

巴克利是圣路易斯华盛顿大学艺术与科学学院的物理学教授,他是一个合作研究人员,他负责建造一个名为Lux-Zeplin的Lux超大型版本,这个版本对暗物质的敏感度要比它大约多100倍其前身。 Lux-Zeplin和另外两个暗物质实验在竞争暗物质实验的严格“低选”后幸存下来,并于今年7月获得美国能源部和国家科学基金会的资助。

巨大的氙气发现WIMP的问题并不在于它们很少,而是它们很少与普通物质相互作用。 “每秒钟有十亿个暗物质粒子通过你,但你必须等待一千年才能与你互动,”巴克利说。

探测器基本上是一个巨大的液体氙气大桶,一米半高和一米半。“这个想法是,WIMPs和氙原子核之间的罕见碰撞会以顺序的形式留下可检测的特征光信号(见下图)。

氙气以微量气体的形式存在于地球大气中,但仅在1150万个左右的水平上存在。产生可用量的氙气作为在液体空气中分离氧气和氮气的副产品。液态氧含有少量的氪和氙,可以通过进一步处理将其分离和浓缩。

因为这很少见,氙气很贵。新探测器要求提供一百万升,而巴克利计算的这种探测器是世界氙气年产量的20%。 1999年,一升氙气价格为15美元,因此当时填充Lux-Zeplin的成本将为1500万美元。

但由于氙卤灯照明的普及,价格一直在上涨。物理学家希望LED在照明市场能够充分进入市场,在他们下订单之前再次降低照明市场。

WIMP的狩猎:许多困境中的痛苦对于一个非专业人士来说,Lux-Zeplin听起来像一个万无一失的WIMP陷阱,但巴克利知道这是一场赌博。 “如果现在运行的任何暗物质实验显示出强烈的信号,我实际上会感到惊讶,”他说。

为什么这么悲观?那么,首先要认识的是,即使物理学家存在某种暗物质,他们也不知道它到底是什么。所以当他们回来一个暗物质实验时,他们实际上会下注。

即使Lux-Zeplin团队正确猜测了质点的质量并与氙准确匹配,他们仍然必须检测非常罕见的事件 - 每隔几年大约会产生一次核反冲 - 隐藏在许多普通物质之间的光照相互作用中。

为了让信号流行,他们已经尽其所能来抑制背景。探测器位于地下深处以阻挡宇宙射线。坦克由“安静”材料制成,因此它们本身不会成为闪光源。并且探测器被包裹在带有自己的光电倍增管的水套中,因此可以将不发生电离水的非WIMP颗粒作为背景。

氙气坦克正在超大型揭幕中子,其中一个微妙的WIMP伪装者。在较大的坦克中将会有足够的氙气,中子可能会在其体积内相互作用两次,而Shyer WIMP只会相互作用一次。

即便如此,它也会归结为统计数字和信心水平,巴克利说。 “之前的这种类型的实验都发现一些事件接近门槛,团队很难说服任何人,他们不仅仅是背景,”他说。

这就是为什么巴克利是高能物理学界最近一次长期规划活动的一部分,他认为物理学家应该同时从几个不同的方向偷偷摸摸暗物质。 “你可以通过这些深探测器看到闪烁的光线,或者你可以将伽马射线望远镜转变为暗物质最集中的星系中心,并寻找暗物质以湮没成伽玛射线。”

巴克利说,这两种称为直接检测和间接检测的技术具有互补的优势和弱点。

黑暗之心所以暗物质是什么?巴克利说:“我们习惯的东西 - 行星,恒星,星际气体云及其余部分 - 只构成宇宙中整个物质能量含量的一个小块。” “宇宙的大部分是在黑暗的领域,在一个未知的黑暗形式。”

“至少在引力上,暗物质的行为与其他物质一样,”巴克利说,“事实上,我们知道它存在是因为它对星系中恒星的轨道和星系的相对运动的重力影响。”

第一个暗示其他东西是来自星系行为奇怪的星系。星系周围的恒星和气体的移动速度应该比靠近中心的速度慢一些,但天文学家注意到,在一些星系中,外星的移动速度与中心的速度一样快。他们得出的结论是,看不见的物质吸引着银河系中的外星,阻止它们被速度向外抛出。

起初,科学家们想知道他们是否刚刚得到了引力定律稍微错误。但随后他们开始注意到无法用改变重力来解释的效应。

暗物质既不发射也不吸收光线,但它仍然可以通过称为引力透镜的效应“看到”。由于大质量物体会扭曲时空,因此来自遥远星系的光线会围绕暗物质团簇弯曲,以便观测者看起来像是环形或弧形区段而不是点光源。

这种效果使得可以在称为子弹群的东西中捕捉到暗物质的壮观图像。图像(下图)显示了两个相互碰撞并通过的星系团。普通物质在中心聚集在一起,但是暗物质在碰撞中穿过并最终位于普通物质的任一侧。“在这个星系中,”巴克利说,“暗物质存在于一个地方,普通物质以星际气体的形式)在另一个地方。这意味着我们不是在大距离范围内得到重力定律的错误;暗物质必须是未知粒子。“

“因此,在这一点上,证据是有看不见的暗物质,它看起来像粒子,”巴克利说,“有一个美丽的论点认为暗物质是由弱相互作用的暗粒子组成的。”

“这个想法,”他说,“真的是从我们部门的Ram Cowsik开始的。他与他人合作撰写了一篇开创性的论文,指出微弱相互作用的粒子很早​​就会在宇宙的历史中失去平衡。如果他们提前解耦,他们会得到保护,并形成一个持续到今天的残余人口。“

“论点是,弱者生存。粒子相互作用越弱,其残留密度就越大,Ram认为早期退出的粒子自然会给我们今天在宇宙中看到的质量密度。“

“简而言之,这就是我们为什么要在Homestake矿寻找WIMP的原因,”Buckley说。

尽管所有这些都是激发人们的兴趣,但人们并没有想到,对于大多数人类历史来说,天文学家只集中在宇宙的4%,而对其他人的幸福无知。这足以让任何人想到人类理解的极限。

也许这就是为什么巴克利作为一名天体物理学家在工作中度过了关于自然和生命的非常大的问题时,有时会说那些听起来比科学更具哲理性的东西。

他在评论Lux-Zeplin发现暗物质的可能性时说:“如果暗物质与普通物质的相互作用如此微弱,以至于在实验中我们永远无法看到它,那该怎么办?”他问。 “那太酷了。

“毕竟,它写在哪里,一切都应该可以理解?我们相信有一个合同说人类最终能够理解所有事情,但如果事实不是这样呢?“

然后他提出了黑暗领域的可怕“第二个楔子” - 黑暗能量。如果可能的话,暗能量比暗物质更难理解。 “暗物质至少像重力的其他物质一样,”他说。 “但是黑暗能量甚至没有这样做;它反击而不是吸引其他事物。“

“如果当前对暗能量的理解是正确的,”他继续说道,“宇宙将快速扩张,以至于更遥远的星系将从我们的视野中消失,我们对宇宙的信息将越来越少, “巴克利说。

他说:“到目前为止,我们非常幸运,我们已经能够学习如此多的明星了。” “我们出生的时候,我们可以看到进一步发展,而不是我们将来能够看到的,在我们实际上可以学到更多东西的时候。”

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来源:圣路易斯华盛顿大学戴安娜卢兹

图片:卡洛斯法哈姆/ LBL;大卫马林/布朗大学和卡洛斯法哈姆/ LBL