Osynlig, omärklig och ändå mycket vanligare än vanlig materia, mörk materia utgör en häpnadsväckande 85 procent av universums massa. Fysiker spårar sakta men stadigt upp arten av detta oidentifierade ämne. Det senaste resultatet från PICO -experimentet sätter några av de bästa gränserna ännu för egenskaperna hos vissa typer av mörk materia.

PICO söker efter WIMP (svagt interagerande massiva partiklar), en hypotes om typ av partiklar av mörk materia som endast skulle interagera sällan, vilket gör dem svåra att hitta.

I detta extrema kosmiska spel "Var är Waldo?" den nyaste, de flesta tekniskt komplexa detektorer brukar anses vara de mest lovande. Många av dessa experiment med mörk materia förlitar sig på hundratals om inte tusentals elektriska kanaler och kräver rack med datorservrar bara för att lagra data de samlar in.

Men PICO förlitar sig på ett enkelt fenomen och en ganska lågmäld detektor:bubblor, och en bubbelkammare. I grunden, PICO:s apparat är helt enkelt en glasburk fylld med vätska i vilken bubblor kan bildas och övervakas av en videokamera.

Återuppfinna bubblan

PICO startade 2005 som ett samarbete mellan University of Chicago och US Department of Energy's Fermilab. (Experimentet startade under ett annat namn, KUPP, och slogs senare samman med PICASSO -experimentet för att bilda PICO.) I experimentets tidiga dagar, mycket av Fermilab -forskarnas arbete ägnades helt enkelt åt att utveckla bubbelkammarteknik. För medan bubbelkammaren knappast var ny - den uppfanns 1952 - hade tekniken också varit ur bruk i 20 år.

Bubbelkammare är utformade för att omvandla energin som deponeras av en subatomär partikel till en bubbla som kan observeras. I en vätska som vatten vid rumstemperatur, partikelkollisioner gör inget märkbart. För att uppnå känslighet för partiklar, vätskan inuti bubbelkammare värms till strax över kokpunkten, så att minsta störning kan tippa vätskan till kokande tillstånd, skapa en bubbla.

"Du kan faktiskt titta på kammaren och se bubbelformen, "sa Fermilab -fysikern Hugh Lippincott, en samarbetspartner på PICO. I typiska partikelfysiska experiment, information om partikelinteraktioner ges enbart via datorgränssnitt. I PICO, interaktionerna är synliga för blotta ögat som bubblor.

"Det är fantastiskt att trycka upp ansiktet mot glaset och bara ... poppa!" sa Fermilab -fysikern Andrew Sonnenschein, också en samarbetspartner på PICO.

Om det finns WIMP:er de bör ibland interagera med vätska i PICO:s bubbelkammare, skapa ett visst antal bubblor varje år.

Det var en återgång till old-school, lågteknologisk partikelfysik när Fermilab-medarbetare började konstruera PICO-bubbelkammaren, som är installerad 2 kilometer under jord vid det kanadensiska laboratoriet SNOLAB. Bubbla kammare av årtionden tidigare hade använts för att spåra miljontals laddade partiklar som protoner och elektroner, som skulle lämna länge, slingrande spår i vätskan.

"Gamla bubbelkammare hade en bra körning, men det slutade på 80 -talet, "Sonnenschein sa." De var för långsamma för att hänga med i experiment som hade mycket större datahastigheter. "

Som ett resultat, bubbla kammare fasades ut när moderna partikelkolliderare som Fermilabs Tevatron och CERNs Large Hadron Collider tog över. Med hjälp av komplex elektronik, detektorer vid dessa kolliderare kunde samla in miljontals gånger mer data än bubbelkammare.

Faktiskt, bubbelkammare hade varit ur drift så länge att PICO:s grundare fick gå tillbaka till ritbordet, återgå till några av tidningarna från de ursprungliga bubbelkammarpionjärerna, och effektivt uppfinna tekniken för att upptäcka mörk materia.

"Efter att de tidiga bubbelkammarkonstruktörerna kommit fram till hur de får dem att arbeta för att spåra högenergipartiklar med spår av bubblor, grundingredienserna i receptet ändrades inte. Vi letar efter lågenergipartiklar som bara gör enstaka bubblor, så många saker är olika, "Sa Sonnenschein.

Den nya designen som gör det möjligt för bubbelkammare att upptäcka mörk materia bevarar fortfarande många av elementen från äldre bubbelkammardetektorer.

"Det som gör PICO intressant är att vi använder en relativt enkel detektordesign jämfört med andra experiment med mörk materia, "sa Dan Baxter, en doktorand från Northwestern University och Fermilab -stipendiat som var PICO:s senaste körkoordinator.

Till skillnad från traditionella laddade partikeldetekterande bubbelkammare, PICOs bubbelkammare är utformad för att leta efter svårfångade, neutralt laddade WIMP:er som kan ta flera år att se ut.

"Det använder det på ett annat sätt, "Lippincott sa." I gamla dagar, du skulle aldrig förvänta dig att använda en bubbelkammare genom att bara låta den sitta där utan att något händer. "

En WIMPy -bubbla

Den svaga kraften som styr WIMPs lever upp till sitt namn. För jämförelse, det är ca 10, 000 gånger svagare än den elektromagnetiska kraften. Partiklar som interagerar genom den svaga kraften, såsom WIMP och neutrino, interagerar inte ofta, gör dem svåra att fånga. Men även en långsamt rörlig WIMP kan sätta in tillräckligt med energi för att vara synlig i en detektor.

Genom att noggrant kalibrera värme och tryck i PICO:s bubbelkammarvätska, forskare kunde göra detektorn endast känslig för interaktioner från massiva partiklar som WIMP. PICO -forskare kunde undvika mycket av standardbakgrunden, såsom signaler från elektroner och gammastrålar, som plågar andra detektorer i mörk materia.

Att behärska tekniken för att göra detta tog år. Föregångare till PICO började som lite mer än provrör fyllda med några teskedar vätska. Gradvis, fartygen blev större. Sedan lade forskare till ljudövervakning till sina detektorer för att fånga "poppar" från bubblor som skapats av WIMP:er.

"Vi ser ett ljudkvitter, "Sonnenschein sa, med hänvisning till bubblorna som poppar. "Det visar sig att om du tittar på frekvensinnehållet i ljudkvittret och amplituden, du kan se skillnaden mellan olika typer av partikelinteraktioner. "

Om en WIMP skapade en bubbla, PICO skulle inte bara kunna se tecken på mörk materia, men hör det också. Med hjälp av denna akustiska teknik, forskare kunde effektivt lägga in veto mot bubblor som inte kunde ha skapats av WIMP:er, så att de kan eliminera bakgrunden.

Som det visar sig, PICO såg inga bubblor från WIMP, så de kunde sätta gränser för både WIMP -massor och sannolikheten för att de kommer att interagera med materia - två faktorer som påverkar antalet bubblor WIMP producerar.

Att sätta gränser för dessa faktorer - massa och interaktionshastighet - kan berätta för fysiker var de ska leta efter mörk materia.

Där ingen bubbla har gått tidigare

"Vi vet inte vad mörk materia är, och så finns det många teorier om vad det kan vara och om hur det kan interagera med normal materia, "Sa Baxter.

Olika teorier kräver en mängd olika experiment. Andra experiment söker efter olika källor till mörk materia, såsom partiklar som kallas axioner eller sterila neutrinoer. PICO:s sökning efter WIMP har ett särskilt fokus på så kallade snurrberoende WIMP.

"Vi vet inte vad WIMP:erna är, "Lippincott sa." Men i stort sett skulle deras interaktioner med normal materia falla i två kategorier:en som inte är känslig för kärnans snurr, och en som är. "

Snurra, som laddning, är en inneboende mängd som bärs av partiklar och atomkärnor. PICO letar främst efter WIMP -interaktioner som är känsliga för kärnans snurr. För att öka deras upplösning av dessa interaktioner, forskarna använder en vätska med en vätska som innehåller fluor, som har en relativt stor kärnvridning. Med denna metod, PICO ökade sin förmåga att se spinnkänsliga WIMP:er med en faktor 17.

Väsentligen, PICO:s resultat är att dessa spinnkänsliga WIMP:er, om de finns, måste interagera extremt sällan - annars hade PICO sett fler bubblor.

Detta resultat, vilket är överlägset det bästa ännu för spinnkänsliga WIMP:er som interagerar med protoner, utesluter inte att det finns WIMP:er. Det finns många andra platser kvar att leta efter mörk materia, men tack vare PICO, färre platser för den att gömma sig.

PICO -samarbetet har för närvarande ett förslag till Canada Foundation for Innovation om att bygga nästa generation av PICO -kammare, och fysiker som Lippincott och Sonnenschein förblir optimistiska på grund av teknikens potential att skala upp.

"De är ganska billiga när konstruktionen är klar, främst för att de är mycket enkla mekaniskt. De knepiga bitarna är inte särskilt jobbiga, "Lippincott sa." Det finns en god chans att bubbelkammare kommer att fortsätta att spela en roll i jakten på mörk materia. "