Flüssiges Helium Kann Helfen, Helle Dunkle Materie Zu Finden

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Anonim
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Um Teilchen „heller“dunkler Materie zu registrieren, können Sie die Verdampfung von flüssigem Helium bei niedrigen Temperaturen nutzen. Wissenschaftler der Brown University schlugen ein Schema für eine solche Installation vor und zeigten, dass es mit ihrer Hilfe möglich ist, WIMPs mit Energien in der Größenordnung von einem Megaelektronenvolt zu finden. Der Artikel wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.

Trotz der Tatsache, dass Dunkle Materie gravitativ mit uns vertrauter Materie wechselwirkt und viele indirekte Anzeichen auf ihre Existenz hinweisen (z. B. Rotationskurven von Galaxien oder Gravitationslinsen auf Galaxienhaufen), haben Wissenschaftler sie noch nicht direkt entdeckt. Einer der wahrscheinlichen Kandidaten für die Rolle eines Teils der kalten Dunklen Materie sind WIMPs (schwach wechselwirkende massive Teilchen) - hypothetische Teilchen, die gewöhnliche Materie nur durch schwache oder gravitative Wechselwirkungen beeinflussen können.

Es wird allgemein angenommen, dass die Masse von WIMPs im Bereich von 1010 bis 1012 Elektronenvolt liegt. Dunkle Materieteilchen mit solchen Massen wurden jedoch noch nicht gefunden. Daher wurden theoretische Modelle entwickelt, aus denen hervorgeht, dass die Masse hypothetischer Teilchen weniger als 10 Gigaelektronenvolt betragen kann, und es werden Experimente durchgeführt, um nach leichten WIMPs zu suchen. Dazu werden elektronische Anregungen von Halbleitern, Szintillationen transparenter Kristalle oder die thermische Reaktion des Targets aus der Wechselwirkung von Targetpartikeln und WIMPs verwendet. Bei all diesen Verfahren liegt die Empfindlichkeitsschwelle bei etwa einem Elektronenvolt, was WIMPs mit Energien in der Größenordnung von Hunderten Megaelektronenvolt entspricht. Dies erfordert die Entwicklung neuer Experimente, in denen Spuren von heller dunkler Materie nachgewiesen werden können.

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Schema eines Aufbaus zur Suche nach Neutrinos (links) oder WIMPs (rechts).

Die Autoren des Artikels schlagen ein Schema für ein Experiment vor, das einigen Methoden zur Suche nach Neutrinos ähnelt. Sein Wesen liegt in der Tatsache, dass, wenn ein Weichei oder Neutrino mit Atomen von flüssigem Helium in einem suprafluiden Zustand wechselwirkt, Quasiteilchen - Phononen und Rotonen - gebildet werden. Wenn die Heliumtemperatur ausreichend niedrig ist (kleiner als 0,1 Kelvin), kann die Interferenz - die Bildung von Quasiteilchen aufgrund von thermischen Schwankungen - vernachlässigt werden. Diese Quasiteilchen breiten sich in der Flüssigkeit aus, und die Auswirkungen der Streuung und des Zerfalls von Quasiteilchen können ebenfalls vernachlässigt werden, wenn ihre Energie weniger als 0,7 Millielektronenvolt beträgt. Wenn das Quasiteilchen schließlich die Oberfläche der Flüssigkeit erreicht, wird durch Quantenverdampfung ein Heliumatom aus ihm herausgeschleudert.

Dann wird das aus der Flüssigkeit herausgerissene Heliumatom durch ein starkes elektrisches Feld (mehrere Volt pro Angström) beschleunigt, das von der scharfen Spitze des Tunnelmikroskops erzeugt wird, und der Moment, in dem es auf die Spitze trifft, wird als kurzfristiger Stromanstieg aufgezeichnet im Netzwerk, das Kathode und Anode verbindet. Der effektive Einfangradius eines Partikels durch die Kathode beträgt etwa fünfhundert Nanometer, daher schlagen die Wissenschaftler vor, eine große Anzahl solcher Spitzen über der Flüssigkeitsoberfläche zu platzieren. Wissenschaftlern zufolge sollte der Abstand zwischen den Spitzen in einem Array für eine effektive Detektion einzelner Atome bis zu zwanzig Mikrometer betragen und der Abstand zwischen den Arrays selbst sollte bis zu einem Millimeter betragen.

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Schematische Anordnung von Spitzen, von denen aus der Flüssigkeit herausgerissene Heliumatome angezogen werden

Mit Hilfe eines solchen Versuchsaufbaus ist es laut Physikern möglich, einzelne WIMPs mit einer Masse von etwa 0,6 Megaelektronenvolt zu registrieren. Trotz der Tatsache, dass sie die Empfindlichkeit, Zeit- und Energieauflösung und andere wichtige Eigenschaften ihres vorgeschlagenen Schemas nicht beurteilen konnten, glauben die Autoren, dass ihre Ideen für die Aufzeichnung von Licht-WIMPs sehr nützlich sein können. Wissenschaftler stellen auch fest, dass ähnliche Detektoren für dunkle Materieteilchen auf der Basis anderer Medien gebaut werden können, in denen die Weglänge von Quasiteilchen groß genug ist, um ihre Entstehung in großen Materiemengen zu registrieren. Dennoch interagieren Teilchen dunkler und „gewöhnlicher“Materie sehr selten.

Wir erinnern Sie daran, dass Physiker an diesem Dienstag, dem 31. Oktober, erstmals den Tag der Dunklen Materie feierten. Wie und warum Wissenschaftler nach Dunkler Materie suchen, lesen Sie in einem diesem Tag gewidmeten Interview mit Andrey Doroshkevich, Leiter der Abteilung für Theoretische Astrophysik des Astro Space Center des Lebedev Physical Institute.

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