Sedan 1980 -talet har forskare har utfört experiment på jakt efter partiklar som utgör mörk materia, en osynlig substans som genomsyrar vår galax och universum. Myntad mörk materia eftersom den inte avger något ljus, detta ämne, som utgör mer än 80 procent av materien i vårt universum, har visat sig upprepade gånger påverka vanlig materia genom sin gravitation. Forskare vet att det finns där ute men vet inte vad det är.

Så forskare på Caltech, ledd av Kathryn Zurek, professor i teoretisk fysik, har gått tillbaka till ritbordet för att tänka på nya idéer. De har undersökt möjligheten att mörk materia består av partiklar av "dold sektor", som är lättare än partiklar som föreslagits tidigare, och kunde, i teorin, hittas med små, underjordiska bordsskivor. I kontrast, forskare söker efter tyngre kandidater för mörk materia som kallas WIMP (svagt interagerande massiva partiklar) med hjälp av storskaliga experiment som XENON, som är installerad under jord i en 70, 000 gallon tank med vatten i Italien.

"Mörk materia flödar alltid genom oss, även i det här rummet "säger Zurek, som först föreslog dolda sektorpartiklar för över ett decennium sedan. "När vi rör oss runt galaxens mitt, denna stadiga vind av mörk materia går mestadels obemärkt förbi. Men vi kan fortfarande dra nytta av den källan till mörk materia, och designa nya sätt att leta efter sällsynta interaktioner mellan den mörka materiens vind och detektorn. "

I en ny artikel godkänd för publicering i tidningen Fysiska granskningsbrev , fysikerna beskriver hur de lättare partiklarna i mörk materia kunde detekteras via en typ av kvasipartikel som kallas en magnon. En kvasipartikel är ett framväxande fenomen som uppstår när ett fast ämne beter sig som om det innehåller svagt interagerande partiklar. Magnoner är en typ av kvasipartikel där elektronspinn - som fungerar som små magneter - är kollektivt upphetsade. I forskarnas idé om ett bordsförsök, ett magnetiskt kristalliserat material skulle användas för att leta efter tecken på upphetsade magnoner som genereras av mörk materia.

"Om partiklarna i mörk materia är ljusare än protonen, det blir mycket svårt att upptäcka deras signal på konventionellt sätt, "säger studieförfattaren Zhengkang (Kevin) Zhang, en postdoktor vid Caltech. "Men, enligt många välmotiverade modeller, särskilt de som involverar dolda sektorer, partiklarna i mörk materia kan kopplas till elektronernas snurr, så att när de träffar materialet, de kommer att framkalla spin -excitationer, eller magnoner. Om vi ​​minskar bakgrundsbruset genom att kyla utrustningen och flytta den under jord, vi kunde hoppas kunna upptäcka magnoner som genereras enbart av mörk materia och inte vanligt material. "

Ett sådant experiment är bara teoretiskt vid denna tidpunkt men kan så småningom äga rum med hjälp av små enheter under jord, troligen i en gruva, där yttre påverkan från andra partiklar, som de i kosmiska strålar, kan minimeras.

Ett tydligt tecken på en upptäckt av mörk materia i bordsförsöken är förändringar i signalen som är beroende av tid på dagen. Detta beror på att de magnetiska kristallerna som skulle användas för att detektera den mörka materien kan vara anisotropa, vilket betyder att atomerna är naturligt ordnade på ett sådant sätt att de tenderar att interagera med den mörka materien starkare när den mörka materien kommer in från vissa riktningar.

"När jorden rör sig genom den galaktiska halogen av mörk materia, den känner den mörka materiens vind som blåser från den riktning som planeten rör sig i. En detektor fixerad på en viss plats på jorden roterar med planeten, så vinden i mörk materia träffar den från olika håll vid olika tidpunkter på dygnet, säga, ibland uppifrån, ibland från sidan, säger Zhang.

"Under dagen, till exempel, du kan ha en högre detektionshastighet när den mörka materien kommer ovanifrån än från sidan. Om du såg det, det skulle vara ganska spektakulärt och en mycket stark indikation på att du såg mörk materia. "

Forskarna har andra idéer om hur mörk materia kan avslöja sig, förutom genom magnoner. De har föreslagit att de ljusare partiklarna i mörk materia kunde detekteras via foton såväl som med en annan typ av kvasipartikel som kallas en fonon, som orsakas av vibrationer i ett kristallgitter. Preliminära experiment baserade på fotoner och fononer pågår vid UC Berkeley, där teamet var baserat innan Zurek gick med i Caltech -fakulteten 2019. Forskarna säger att användningen av dessa flera strategier för att leta efter mörk materia är avgörande eftersom de kompletterar varandra och skulle hjälpa till att bekräfta varandras resultat.

"Vi letar efter nya sätt att leta efter mörk materia eftersom, med tanke på hur lite vi vet om mörk materia, det är värt att överväga alla möjligheter, säger Zhang.