Pencarian materi gelap sangat menarik. Secara harfiah, ini adalah peluru dalam kegelapan. Meskipun para ilmuwan yakin akan hal ini materi gelap Itu ada – karena semua materi normal di alam semesta tidak dapat menjelaskan cara galaksi bersatu – mereka tidak tahu apa itu. Mereka juga tidak terlalu tahu di mana dia (walaupun mereka punya beberapa ide). Mereka pasti tidak tahu seperti apa bentuknya.
Namun, komunitas fisika tertarik untuk menyelidiki partikel yang sulit dipahami ini karena sisi gelap alam semesta kita mewakili 95% alam semesta kita yang mengkhawatirkan jika diperhitungkan. energi gelapkekuatan tak terlihat yang mempercepat perluasan ruang.
Tetapi bagaimana seseorang menganalisis sesuatu tanpa benar-benar mengetahui apa yang harus dianalisis? Nah, ada satu cara. Meskipun kita belum mengetahui apa itu dark matter, para ilmuwan perlahan-lahan dapat menemukan apa yang bukan itu.
Inilah yang baru-baru ini dilakukan oleh beberapa peneliti yang didedikasikan untuk penelitian dengan menyaring data yang ditangkap oleh detektor yang terkubur jauh di dalam tambang di Minnesota. Meskipun mereka belum menemukan bukti adanya materi gelap, mereka mengatakan bahwa mereka telah menetapkan salah satu batas tersempit yang pernah ada untuk mendeteksi fenomena ini suatu hari nanti. memiliki garis besar lengkap dari hasil mereka diterbitkan Pada bulan Juni di Tinjauan Fisik D.
“Ini semua tentang pola pikir dalam sains, di mana hasil nol bisa sama berdampak positif,” kata Daniel Jardine, rekan penulis studi dan peneliti postdoctoral di Northwestern University, kepada Space.com. “Jelas itu keren untuk menemukan materi gelap, tetapi kami dapat memotong bagian baru dari ruang parameter materi gelap.”
Terkait: Foton “tersembunyi” dapat menjelaskan materi gelap yang misterius
Penemuan terbaru ini terkait dengan kolaborasi Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS), di mana Jardin menjadi salah satu anggotanya.
Singkatnya, tim menyimpulkan bahwa detektor SuperCDMS eksperimental sekarang dapat mengecualikan partikel materi gelap sampai sekitar Sekitar seperlima massa proton – dan mungkin lebih sedikit massa.
“Saya selalu suka mengejar yang tidak diketahui, dan ini sebesar yang didapat,” kata Jardine. “Saya sangat senang bahwa karir saya telah membawa saya ke sini, dan betapapun singkatnya, saya selalu dapat mengatakan bahwa hasil ini adalah yang terbaik di dunia sampai percobaan lain pasti menyusul.”
Tunggu, apa itu SuperCDMS?
Untuk menangkap bukti partikel materi gelap, kolaborasi SuperCDMS bekerja dengan eksperimen yang juga disebut sebagai SuperCDMS.
Eksperimen ini pada dasarnya memanfaatkan kekuatan detektor yang dapat menentukan apakah dan kapan partikel materi gelap (apa pun itu) bertabrakan dengan inti atom dari bahan yang tertanam di dalam detektor itu sendiri, khususnya germanium atau silikon.
“Saya sudah tertarik dengan luar angkasa sejak kecil karena membuat segala sesuatu di Bumi tampak begitu kecil dan tidak penting,” kata Jardine. “Kemudian saya belajar tentang materi gelap dan tidak percaya bahwa semua bintang dan galaksi dan hal-hal yang kita lihat di langit malam membentuk kurang dari 5% alam semesta.”
Menjadi sedikit lebih teknis, SuperCDMS dapat menentukan apakah partikel materi gelap ini terlibat dalam apa yang dikenal sebagai “tumbukan elastis”. Jika mereka melakukannya, yang akan terjadi adalah energi apa pun yang hilang oleh partikel materi gelap saat ia pecah akan dipindahkan ke gerakan inti atom yang terpengaruh. Pada gilirannya, kedua bit akan memantul kembali.
Ini akan seperti dua bola bilyar saling memukul hanya untuk memantul sedikit ke belakang di atas meja, kata rekan penulis studi Noah Korinsky, seorang ilmuwan di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC.
Tapi inilah masalahnya.
SuperCDMS tampaknya belum menemukan tumbukan elastis – menurut Jardin, kita sudah mendengarnya sekarang karena penemuan seperti itu kemungkinan besar akan menghasilkan Hadiah Nobel. Namun, tim peneliti ini, termasuk Rob Calkins, asisten profesor penelitian di Southern Methodist University, mengajukan pertanyaan yang menarik.
Bagaimana jika SuperCDMS menangkap tipe tabrakan lain yang selama ini tidak dicari orang? Khususnya, tumbukan inelastis.
Mengingat temuan baru ini, mereka pasti menemukan sesuatu.
“Mencari tabrakan elastis tetap menjadi pendorong utama SuperCDMS, tetapi melihat tabrakan inelastis telah membuka jalan bagi ruang parameter materi gelap yang sebelumnya tidak sensitif dalam eksperimen,” jelas Jardine.
Ada dua cara kemungkinan terjadinya tabrakan materi gelap inelastis. Yang pertama, menurut tim, berkaitan dengan sesuatu yang disebut radiasi Bremsstrahlung. Pada detektor, jika jenis tumbukan inelastis ini terjadi, partikel materi gelap akan mentransfer sebagian energinya ke partikel cahaya, atau foton, bukan hanya memantul seperti pada contoh bola bilyar.
Padahal, di sisi lain, tumbukan inelastis dapat terjadi melalui sesuatu yang disebut Efek midgal. Jika pelepasan ini terjadi, partikel materi gelap yang menabrak nukleus akan menyebabkan nukleus terlempar keluar dari posisinya, mengacaukan distribusi awan elektron. Setelah kembali ke tempat asalnya, beberapa elektron yang mengalir tersebut akan dikeluarkan.
Dengan risiko penyederhanaan yang berlebihan, ini berarti tim sedang mencari sinyal SuperCDMS baik dari foton terbang atau hardcore elektronik tunggal.
“Itu tidak semudah menghitung,” kata Jardine. “Analisis ini menggunakan bentuk spektral untuk memodelkan profil kekuatan sinyal serta beberapa sumber latar belakang yang diketahui.”
Dan setelah semua itu, pencarian tidak membuahkan hasil – tetapi ceritanya tidak berakhir di sini.
Jardin melanjutkan, “Kemudian kami menggunakan statistik untuk menjawab pertanyaan,” Berapa probabilitas bahwa kami akan melihat sinyal dengan latar belakang yang diketahui? Pertanyaan ini diulang ratusan ribu kali dan kami meninggalkan ruang parameter di mana kami seharusnya dapat melihat sinyal dan kami tidak bisa.
Selalu ada hikmahnya
“Ada sekitar satu miliar partikel materi gelap yang melewati Anda setiap detik, tetapi mereka sangat jarang berinteraksi sehingga Anda tidak tahu,” kata Jardine. “Kami sedang mencari peluang interaksi 1 dalam satu miliar miliar miliar miliar.”
Meski tiket emas ini tidak ditemukan, bentuk harta karun lainnya terungkap.
Di atas segalanya, semua studi statistik pada sinyal SuperCDMS akhirnya memberi tim kesimpulan mereka tentang potensi batas massa rendah untuk partikel materi gelap.
“Eksperimen materi gelap lain yang tidak sesensitif massa materi gelap serendah SuperCDMS untuk tumbukan elastis menerbitkan analisis serupa yang memperluas jangkauannya dan meratakan lapangan permainan. Membaca itu, kami bertanya-tanya seberapa jauh kami bisa pergi jika kami menggunakan metode yang sama,” kata Jardine.
Selain itu, jelasnya, tim juga “menambahkan lebih banyak analisis seperti statistik yang lebih kompleks dan penyertaan interaksi dengan Bumi.”
Ya, Bumi
Mungkin yang lebih mengesankan adalah cara tim memperhitungkan itu semua TanahPosisinya di luar angkasa dapat memengaruhi sinyal materi gelap ini.
Seperti yang mereka tunjukkan, jika materi gelap berinteraksi cukup kuat dengan benda-benda, kemungkinan besar ia berinteraksi dengan semua yang ada di jalurnya menuju detektor Bumi kecil di bawah tanah kita. Salah satu hal yang siap untuk berinteraksi adalah atmosfer planet kita.
Tim beralasan bahwa jika partikel materi gelap berinteraksi dengan atmosfer kita, perisai planet ini akan mengambil sebagian energi partikel pada saat kita menangkap sinyalnya.
“Materi gelap dianggap kurang lebih ada di mana-mana dalam sebuah bola besar di sekitar galaksi,” kata Jardine. Tata surya kita berada dalam lengan spiral Bima Sakti Artinya, bumi berputar mengelilingi matahari dan bumi berputar pada porosnya sendiri. Gerakan astronomis ini berarti Bumi melewati lautan partikel materi gelap, tetapi dari sudut pandang kami, partikel materi gelap tampaknya terus-menerus membombardir Bumi dan detektor kami.”
Dengan demikian, para peneliti menyadari bahwa kemungkinan ada batas energi atas yang dapat ditembus oleh partikel materi gelap interaktif ini – jika ini reaktif, yaitu.
Dengan memodelkan hal-hal seperti kerapatan atmosfer Bumi, bekerja sama dengan ahli geologi untuk mencari tahu jenis batuan apa yang ada di atas tambang Minnesota tempat SuperCDMS terkubur dan banyak variabel lainnya, mereka telah menemukan batas energi materi gelap bagian atas.
“Bila Anda memasukkan garis ke beberapa data, ada dua parameter: regresi dan intersep,” kata Jardine. “Dalam analisis ini, kami memiliki lebih dari 50 kriteria yang cocok secara bersamaan.”
Adapun apa selanjutnya, Jardine mengatakan pengurangan gaya Sherlock Holmes ini akan berlanjut. Dan jika salah satu dari itu muncul di benak Anda, tekankan cara visual dalam memandang skor tim yang menempatkan segala sesuatunya ke dalam perspektif.
“Hasil ini – garis hitam – meninggalkan beberapa ruang parameter baru yang belum pernah diakses orang lain sebelumnya, tetapi ada lebih banyak ruang terbuka di kiri, lebih sedikit blok ke atas dan ke bawah, yang berarti lebih sedikit kesempatan untuk berinteraksi,” katanya . Ini semakin sulit untuk diselidiki, tetapi fisikawan materi gelap cerdas.
Pemburu materi gelap ini pasti meraih bintang dan berhasil mendarat dengan lembut di bulan.
More Stories
Kapan para astronot akan diluncurkan?
Perjalanan seorang miliarder ke luar angkasa “berisiko”
Administrasi Penerbangan Federal menangguhkan penerbangan SpaceX setelah roket yang terbakar jatuh saat mendarat