Sökandet efter mörk materia expanderar. Och går smått.

Medan mörk materia florerar i universum - det är den i särklass vanligaste formen av materia, utgör cirka 85 procent av universums totala - det döljer sig också för vanligt syn. Vi vet ännu inte vad den består av, även om vi kan bevittna dess dragningskraft på känd materia.

Teoretiserade svagt interagerande massiva partiklar, eller WIMP:er, har varit bland gjutna av troliga misstänkta bestående av mörk materia, men de har ännu inte dykt upp där forskare hade förväntat dem.

Gjuter många små nät

Så forskare fördubblar nu sina ansträngningar genom att designa nya och smidiga experiment som kan leta efter mörk materia i tidigare outforskade områden av partikelmassa och energi, och använder tidigare otestade metoder. Det nya tillvägagångssättet, snarare än att förlita sig på några stora experiment "nät" för att försöka snara en typ av mörk materia, liknar att gjuta många mindre nät med mycket finare nät.

Mörk materia kan vara mycket "ljusare" "eller lägre i massa och lättare i energi, än tidigare trott. Det kan bestå av teoretiska, vågliknande ultralätta partiklar som kallas axioner. Det kan befolkas av ett vilt rike fyllt med många arter av ännu inte upptäckta partiklar. Och det kanske inte alls består av partiklar.

Momentum har byggts för experiment med lågmassa i mörk materia, som skulle kunna utöka vår nuvarande förståelse för materiens sammansättning som förkroppsligas i standardmodellen för partikelfysik, noterade Kathryn Zurek, en senior forskare och teoretisk fysiker vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Zurek, som också är ansluten till UC Berkeley, har varit en pionjär när det gäller att föreslå lågmassa teorier om mörk materia och möjliga sätt att upptäcka det.

"Vilka experimentella bevis har vi för fysik utöver standardmodellen? Mörk materia är en av de bästa, "sa hon." Det finns dessa teoretiska idéer som har funnits i ett decennium eller så, "Tillade Zurek, och ny teknikutveckling - till exempel nya framsteg inom kvantsensorer och detektormaterial - har också bidragit till att driva drivkraften för nya experiment.

"Fältet har mognat och blommat under det senaste decenniet. Det har blivit mainstream - det här är inte längre utkant, "sa hon. Lågmassa diskussioner om mörk materia har flyttat från små konferenser och workshops till en del av den övergripande strategin för att leta efter mörk materia.

Hon noterade att Berkeley Lab och UC Berkeley, med sin speciella expertis inom teorier om mörk materia, experiment, och banbrytande detektor och mål-FoU, är beredda att göra stor inverkan i detta framväxande område av jakten på mörk materia.

Rapportens höjdpunkter måste söka efter "lätt" mörk materia med låg massa

Mörk materia-relaterad forskning av Zurek och andra Berkeley Lab-forskare belyses i en DOE-rapport, "Grundläggande forskningsbehov för mörka materia små projekt Nya initiativ", baserat på en oktober 2018 högenergifysikverkstad om mörk materia. Zurek och Dan McKinsey, en högre vetenskapsman vid Berkeley Lab -fakulteten och professor i fysik vid UC Berkeley, fungerat som medledare på en workshoppanel med fokus på tekniker för direktdetektering av mörk materia, och denna panel bidrog till rapporten.

I rapporten föreslås fokus på småskaliga experiment-med projektkostnader från 2 miljoner dollar till 15 miljoner dollar-för att söka efter partiklar av mörk materia som har en massa mindre än en proton. Protoner är subatomära partiklar i varje atomkärna som var och en väger cirka 1, 850 gånger mer än en elektron.

Den här nya, lägre massa sökinsats kommer att ha "det övergripande målet att äntligen förstå naturen i universums mörka materia, "står det i rapporten.

I en relaterad insats, USA:s energidepartement begärde i år förslag på nya experiment med mörk materia, med en tidsfrist den 30 maj, och Berkeley Lab deltog i förslagsprocessen, Sa McKinsey.

"Berkeley is a dark matter mekka" som är grundad för att delta i denna utökade sökning, han sa. McKinsey har deltagit i stora experiment för att upptäcka mörk materia med direkt upptäckt, inklusive LUX och LUX-ZEPLIN och arbetar också med att upptäcka tekniker med låg massa av mörk materia.

3 prioriteringar i den utökade sökningen

Rapporten belyser tre prioriterade forskningsinriktningar när det gäller att söka efter lågmassa mörk materia som "behövs för att uppnå bred känslighet och ... för att nå olika viktiga milstolpar":

1. Skapa och upptäck mörkpartiklar under protonmassan och tillhörande krafter, utnyttja DOE -acceleratorer som producerar strålar av energiska partiklar. Sådana experiment kan eventuellt hjälpa oss att förstå ursprunget till mörk materia och utforska dess interaktioner med vanlig materia, står det i rapporten.

2. Upptäck enskilda galaktiska partiklar i mörk materia - ner till en massa som mäter cirka 1 biljon gånger mindre än en proton - genom interaktioner med avancerade, ultrakänsliga detektorer. Rapporten konstaterar att det redan finns underjordiska experimentområden och utrustning som kan användas för att stödja dessa nya experiment.

3. Upptäck galaktiska vågor i mörk materia med hjälp av avancerade, ultrakänsliga detektorer med betoning på den så kallade QCD-axionen (quantum chromodynamics). Framsteg inom teori och teknik gör det nu möjligt för forskare att undersöka förekomsten av denna typ av axionbaserad mörk materia över hela spektrumet av dess förväntade ultralätta massintervall, ger "en inblick i de tidigaste stunderna i universums ursprung och naturlagarna vid ultrahöga energier och temperaturer, "står det i rapporten.

Denna axion, om det finns, kan också hjälpa till att förklara egenskaper som är förknippade med universums starka kraft, som är ansvarig för att hålla ihop det mesta - det binder partiklar samman i en atomkärna, till exempel.

Sökningar efter den traditionella WIMP -formen av mörk materia har ökat i känslighet om 1, 000 gånger det senaste decenniet.

Berkeley -forskare bygger prototypförsök

Berkeley Lab och UC Berkeley-forskare kommer först att fokusera på flytande helium- och galliumarsenidkristaller för att söka efter partiklar i lågmassa i partiklar i prototyplaboratorieexperiment som nu utvecklas vid UC Berkeley.

"Materialutveckling är också en del av historien, och också tänka på olika typer av excitationer "i detektormaterial, Sa Zurek.

Förutom flytande helium och galliumarsenid, materialen som kan användas för att detektera partiklar av mörk materia är olika, "och strukturerna i dem kommer att tillåta dig att koppla till olika kandidater för mörk materia, "sa hon." Jag tycker att mångfald är oerhört viktigt. "

Målet med dessa experiment, som förväntas börja inom de närmaste månaderna, är att utveckla tekniken och teknikerna så att de kan skalas upp för djupa underjordiska experiment på andra platser som kommer att ge ytterligare avskärmning från den naturliga duschen av partikel "buller" som regnar ner från solen och andra källor.

McKinsey, som arbetar med prototypförsöken vid UC Berkeley, sa att det flytande helium -experimentet där kommer att söka efter tecken på partiklar av mörk materia som orsakar nukleär rekyl -en process genom vilken partikelinteraktion ger en atomkärna ett litet skott som forskare hoppas kan förstärkas och detekteras.

Ett av experimenten syftar till att mäta excitationer från interaktioner mellan mörk materia som leder till den mätbara avdunstningen av en enda heliumatom.

"Om en partikel av mörk materia sprids (på flytande helium), du får en gnutta excitation, "McKinsey sa." Du kan få miljontals excitationer på ytan - du får en stor värmesignal. "

Han noterade att atomer i flytande helium och kristaller av galliumarsenid har egenskaper som gör att de kan lysa upp eller "scintillera" i partikelinteraktioner. Forskare kommer först att använda mer konventionella ljusdetektorer, känd som fotomultiplikatorrör, och sedan flytta till mer känsliga, nästa generations detektorer.

"I grund och botten, under nästa år kommer vi att studera ljussignaler och värmesignaler, "McKinsey sa." Förhållandet mellan värme och ljus ger oss en uppfattning om vad varje händelse är. "

Dessa tidiga undersökningar kommer att avgöra om de testade teknikerna kan vara effektiva vid detektering av lågmassa av mörk materia på andra platser som ger en miljö med lägre buller. "Vi tror att detta kommer att göra det möjligt för oss att undersöka mycket lägre energitrösklar, " han sa.

Nya idéer möjliggjorda av ny teknik

Rapporten noterar också en mängd andra tillvägagångssätt för sökandet efter lågmassa mörk materia.

"Det finns massor av olika, cool teknik där ute "även bortom de som behandlas i rapporten som använder eller föreslår olika sätt att hitta lågmassa mörk materia, Sa McKinsey. Några av dem förlitar sig på mätningen av en enda ljuspartikel, kallas en foton, medan andra förlitar sig på signaler från en enda atomkärna eller en elektron, eller en mycket liten kollektiv vibration i atomer som kallas en fonon.

Istället för att rangordna befintliga förslag, rapporten är avsedd att "gifta sig med den vetenskapliga motiveringen till möjligheterna och det praktiska. Vi har motivation eftersom vi har idéer och vi har tekniken. Det är det som är spännande."

Han lade till, "Fysik är det möjliga."