Бага энергитэй хил дээр харанхуй бодис нуугдаж магадгүй - нотлох баримт бий

Агуулгын хүснэгт:

Бага энергитэй хил дээр харанхуй бодис нуугдаж магадгүй - нотлох баримт бий
Бага энергитэй хил дээр харанхуй бодис нуугдаж магадгүй - нотлох баримт бий
Anonim

Харанхуй бодисыг илрүүлэгч шинэ үеийн нууцлаг нөлөө нь хувьсгалт нээлтийг зарлаж магадгүй юм. Сүүлийн нэг жилийн хугацаанд эдгээр детектортой ажилладаг эрдэмтэд гэнэт бага энерги зарцуулах хэмжээ ихэссэн буюу хэтэрсэн байгааг анзаарчээ.

Олон арван жил шаргуу хайсан ч эрдэмтэд харанхуй бодисын ганц ширхэгийг олж чадаагүй байна. Эрдэмтэд энэ хэлбэрийн бодис байдаг тухай бараг "төмөр" нотолгоо өгдөг боловч үнэн хэрэгтээ энэ нь юунаас бүрдэхийг тогтоох боломжгүй байна. Хэдэн арван жилийн турш физикчид харанхуй бодис нь хүнд бөгөөд сул харилцан үйлчлэлцдэг гэж нэрлэгддэг том хэсгүүдээс бүрддэг гэсэн таамаглалыг баримталсаар ирсэн бөгөөд үүнийг лабораторийн нөхцөлд амархан илрүүлдэг гэж үздэг.

Гэсэн хэдий ч олон жилийн шаргуу судалгаа хийсэн ч эрдэмтэд WIMP -ийг олж чадаагүй байна. Физикчид эрэл хайгуулыг илүү их урам зоригтойгоор эхлүүлэв. Судлаачид илүү нарийвчлалтай туршилт хийж, илүү их мэдээлэл хуримтлуулахын хэрээр детекторууд нь протоноос хөнгөн жинтэй харанхуй бодисын тоосонцорыг хэрхэн олж авч болохыг тодруулсан таамаглалыг дахин үнэлэх болно. Мөн энэ оны эхээр arXiv урьдчилан хэвлэх сервер дээр. org, физикийн өөрчлөлтийн бэлгэдэл болсон хоёр баримт бичиг хэвлэгджээ. Эдгээр нийтлэлд зохиогчид анх удаа харанхуй бодисоор үүсгэсэн плазмон (электрон дахь бодисын электрон хөдөлгөөн) -ийг хайхад анхаарлаа төвлөрүүлэхийг санал болгож байна.

Эхний хураангуйг Үндэсний хурдасгуурын лабораторид харанхуй бодисыг судлах чиглэлээр мэргэшсэн хэсэг эрдэмтэд бичсэн болно. Иллинойс мужийн Батавиа дахь Энрико Ферми (Фермилаб), түүнчлэн Урбана-Шампайн дахь Иллинойс их сургууль, Чикагогийн их сургуулийн мэргэжилтнүүд. Эрдэмтэд бага масстай харанхуй бодис нь плазмон үүсгэх чадвартай гэж таамаглаж байсан бөгөөд эдгээр тоосонцорыг зарим детектор ашиглан барьж болно. Энэхүү цоо шинэ бүтээлээс санаа авч, Сан Диегогийн UC физикч Тонгян Лин, Жонатан Козачук нар детекторууд нь бага масстай харанхуй бодисыг илрүүлэх чадвартай болох магадлалыг тооцоолжээ.

"Бид" Плазмон, плазмон, пласмон! "Гэж хашгирч байгаа тул энэхүү сонирхолтой үзэгдэл нь бидний бодлоор харанхуй бодисын туршилтуудыг тайлбарлахад бидэнд туслах болно" гэж нийтлэлүүдийн эхний зохиогч, харанхуй бодисын талаархи шинжээч Гордан Крняич хэлэв. Фермилаб ба Чикагогийн их сургуулийн Кавлигийн нэрэмжит сансар судлалын физикийн хүрээлэн. Бөөмийн физикчид астрофизикчдийн хамт бага масстай харанхуй бодисыг илрүүлэх асуудлыг арван жилийн турш тунгаан бодож ирсэн., харанхуй бодис.

"Энэ бол гайхалтай зүйл гэж би бодож байна" гэж Иерусалимын Еврей Их Сургуулийн онолын физикч Йонит Хочберг Крнжажийн багийн олж авсан үр дүнгийн талаар тайлбар хийжээ (хэдийгээр Юнит дурдсан нийтлэлд шууд оролцдоггүй байсан). "Үл мэдэгдэх байдлаар ажиллах чадвартай [плазмон] байгаа нь миний бодлоор үнэхээр судлах шаардлагатай маш чухал үр дүн юм."

Зарим эрдэмтэд анхны хэвлэгдсэн нийтлэлийн үр дүнг маш эргэлзээтэй харж байна. Жишээлбэл, Калифорнийн Технологийн Институтын харанхуй асуудал судлаач Кэтрин Зурекийн хэлснээр уг нийтлэл "намайг төдийлөн итгүүлж чадахгүй байна" гэж хэлээд "Энэ нь хэрхэн ажилладагийг би зүгээр л ойлгохгүй байна" гэж нэмж хэлжээ. (Зурек эдгээр нийтлэлийг бичихэд бас оролцоогүй гэдгийг бид нэмж байна).

Хариуд нь Фермилаб ба Сансар судлалын физикийн хүрээлэнд харанхуй бодисыг судлах чиглэлээр туршилтын үйл ажиллагаа эрхэлдэг Ноа Куринскийн анхны нийтлэлийн зохиогчдын нэг юм. Шинжээчдийн шүүмжлэлийн баримт нь ер бусын зүйл биш гэж Кавли үзэж байна. “Бид тэдний буруу байсныг батлах даалгавар өгсөн. Энэ нь физикийн энэ чиглэлээр хийгдэж буй судалгаанд ихээхэн ашиг тустай болно гэж би бодож байна. Үүнийг л тэд хийх ёстой”гэж Курински хэлэв.

Хүчин чармайлтаа нэгтгэ

Бараг ул мөр үлдээдэггүй үл үзэгдэгч ан агнуур нь ихэвчлэн иймэрхүү байдлаар явагддаг: харанхуй бодисын тоосонцорыг илрүүлэхийн тулд физикчид ямар нэгэн материал авч, гүний гүнд байрлуулж, тоног төхөөрөмжид холбож, дараа нь дохио засах гэж найдаж байна. Ялангуяа эрдэмтэд харанхуй бодисын тоосонцор детектор руу шууд цохиж, электрон, фотон, тэр ч байтугай төхөөрөмжийг илрүүлэх боломжтой болно гэж найдаж байна.

Харанхуй бодисыг илрүүлэх онолын арга барилыг 1985 оноос хойшхи нийтлэлд дурдсан болно; Энэ нь харанхуй бодисын тоосонцорыг хайхын тулд нейтрино илрүүлэгчийг хэрхэн дахин ашиглахыг тайлбарласан болно. Энэ нийтлэлд үзүүлсэн шиг, орж ирж буй харанхуй бодисын тоосонцор нь детектор хийсэн бодисын атомын цөмд цохиулж, импульс өгч чаддаг. Энэхүү мөргөлдөөний үр дүнд цөмд хангалттай хүчтэй цохилт өгөх харанхуй бодис нь эрч хүч өгч, улмаар электрон эсвэл фотон гадагш гарах болно.

Өндөр энергитэй байхад бүх зүйл гайхалтай болдог. Детектор дахь атомуудыг бие биентэйгээ огт холбоогүй, салангид хэсгүүд гэж үзэж болно. Гэсэн хэдий ч бага энергитэй үед зураг өөрчлөгддөг.

Харанхуй бодисыг судалдаг Урбана-Шампейн дахь Иллинойсын Их Сургуулийн анхны нийтлэлийг хамтран бичсэн зохиолч Ёнатан Кан "Гэхдээ детекторууд нь чөлөөт тоосонцороор хийгддэггүй" гэж тэмдэглэжээ. "Тэд маш өвөрмөц материалаар хийгдсэн байдаг. Тиймээс хэрэв таны детектор яг хэрхэн ажилладагийг ойлгохыг хүсч байвал энэ материалын талаархи бүх мэдээлэлтэй байх ёстой."

Илрүүлэгчийн дотор жижиг масстай харанхуй бодисын тоосонцор нь эрч хүчийг дамжуулдаг боловч цохилтын үр дүнд үлдсэн хэсгүүд нь бильярд дахь бөмбөг шиг сарниулахгүй, харин чичирч эхэлдэг. Өөрөөр хэлбэл, ширээний теннисний бөмбөгний аналоги энд илүү зохимжтой юм.

"Бид бага масстай харанхуй бодис руу шилжсэн даруйд бусад нарийн зүйлүүд энд гарч эхэлнэ" гэж Лин тайлбарлав. Эдгээр нарийн эффектүүд нь физикчдийн "хамтын өдөөлт" гэж нэрлэдэг зүйлийг хэлдэг. Энд байгаа утга нь: хэрэв хэд хэдэн тоосонцор бие биентэйгээ зэрэг хөдөлдөг бол тэдгээрийг олон тооны чичиргээтэй атомуудаас бүрдэх дууны долгион гэж нэрлэх нь илүү тохиромжтой байдаг.

Хэрэв электронууд ийм байдлаар ажиллаж эхэлдэг бол энэ тохиолдолд плазмон үүсдэг. Хэрэв атомын цөмийн бүлэг чичирч эхэлбэл тэдний хамтын өдөөлтийг фонон гэж нэрлэдэг. Энэ үзэгдлийг харанхуй бодисыг судалдаг астрофизикчид болон өндөр энергитэй физикчид ихэвчлэн тулгардаг; Гэсэн хэдий ч тэд үүнийг хамаагүй гэж үздэг.

Физикийн чиглэлээр Нобелийн шагналт талийгаач Филип Андерсон нэгэнтээ "илүү өөр утгатай" гэж хэлсэн байдаг, өөрөөр хэлбэл, систем томрох тусам энэ нь огт өөр зан үйлийн хуультай байж болохыг хүлээн зөвшөөрөх тухай ярьж байна [Филип Андерсоны нийтлэл, 1972. "Илүү их өөр", өөрөөр хэлбэл Илүү өөр, - ойролцоогоор. орчуулга.]. Жишээлбэл, усны дусал нь нэг усны молекулаас (H2O) огт өөрөөр ажилладаг. Йонатан Кан "Би энэ үзэл баримтлалд бүрэн автсан" гэж хэлжээ.

Хоёр баримт бичигт ашигладаг плазмон үйлдвэрлэх арга барил нь бие биенээсээ арай өөр юм. Гэсэн хэдий ч зохиогчид ижил дүгнэлтэд хүрч байна: бид үнэхээр плазмон үүсэхийг харуулсан дохиог хайх ёстой. Ялангуяа Лин, Козачук нарын тооцооллоор бага масстай харанхуй бодисоор плазмон үүсэх хурд нь электрон эсвэл фотоны харагдах хурдны 10 мянга нэг хувьтай тэнцэх болно. Энэ утга нь магадлал багатай мэт санагдаж болох ч физикчдийн хувьд энэ нь үнэн зөв юм.

Харанхуйд эрчим хүч нэмэгддэг

Саяхан болтол харанхуй бодисыг илрүүлэх хамгийн мэдрэмтгий детекторууд нь шингэн ксенон аварга том усан санг ашигладаг байжээ. Гэсэн хэдий ч сүүлийн хэдэн жилийн хугацаанд тэдгээрийг шинэ үеийн хатуу төлөвт детектороор сольсон. Тэд EDELWEISS III, SENSEI, CRESST-III гэсэн товчлолоор нэрлэгддэг бөгөөд германий, цахиур, схемит гэх мэт материалаар хийгдсэн байдаг. Ийм детектор нь харанхуй биеттэй мөргөлдөхөд мэдрэмтгий байдаг бөгөөд энэ нь зөвхөн нэг электрон үүсгэж чаддаг.

Гэхдээ бүх детекторууд нь хамгаалалтын түвшингээс үл хамааран гадны дуу чимээнд мэдрэмтгий байдаг бөгөөд тэдгээрийн эх үүсвэр нь жишээлбэл, арын цацраг байж болно. Өнгөрсөн нэг жилийн хугацаанд харанхуй бодисын хэд хэдэн илрүүлэгчтэй ажилладаг эрдэмтэд гэнэт бага энергитэй нөлөөллийн тоо нэмэгдсэн, эсвэл хэт их байгааг тэмдэглэж эхэлсэн боловч тэд энэ баримтыг чимээгүйхэн дамжуулжээ.

Курински болон түүний хамтрагчдын бичсэн баримт бичигт харанхуй биетийн янз бүрийн туршилтаар ажиглагдсан ийм бага энергитэй "илүүдэл" хоёрын хооронд ижил төстэй төстэй байдал анх удаа тэмдэглэгдсэн байдаг. Эдгээр илүүдлийн зарим нь детекторын нэг кг тутамд 10 герц орчим төвлөрсөн байдаг бололтой. Илрүүлэгч нь өөр өөр материалаар хийгдсэн, огт өөр газар байрладаг, бие биенээсээ өөр нөхцөлд ажилладаг тул харанхуй бодисын нарийн нөлөөг эс тооцвол энэхүү хачирхалтай тууштай байдлын түгээмэл шалтгаан бараг байдаггүй. Дараагийн шинжлэх ухааны мэтгэлцээн нь Лин зэрэг бусад физикчдийн анхаарлыг татаж, плазмонтой холбоотой математик дээр хурдан ажиллаж эхлэв. Гэхдээ Лин хүртэл эргэлзэж байна: хэрэв одоогоор хийсэн туршилтын үр дүн плазмоныг харанхуй бодисоор биш, өөр зүйлээр үүсгэж байгааг харуулсан бол яах вэ? "Би харанхуй зүйл шалтгаан биш гэж хэлээгүй. Харанхуй бодис надад итгэмээргүй хүчин зүйл мэт санагдаж байна гэж би зүгээр л хэлж байна "гэж Лин хэлэв.

Хамгийн сүүлийн үеийн харанхуй бодис илрүүлэгчээс шинэ мэдээлэл гарч ирэх тул энэхүү таамаглалыг дахин дахин шалгаж, дахин шалгах болно. Гэхдээ детекторууд одоогоор нууцлаг бодисыг илрүүлж байгаа эсэх нь хамаагүй. Одоо физикийн энэ чиглэлээр ажилладаг эрдэмтэд бага масстай харанхуй бодисын плазмон болон бусад зан үйлийн талаар судалж байна. Судалгаа үргэлжилж байна.

"Бид олон алдаа гаргасныг би үгүйсгэхгүй, гэхдээ бүгд өөрсдийгөө сонирхдог" гэж Крзайч хэлэв.

Зөвлөмж болгож буй: