2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
LIGO Teleskopspiegel
Japanische Physiker haben vorgeschlagen, Gravitationsdetektoren zu verwenden, um nach Teilchen der dunklen Materie zu suchen. Es wird davon ausgegangen, dass bei Kollisionen mit hypothetischen Teilchen die Spiegel der Detektoren leicht auslenken sollten. Wissenschaftlern zufolge ist es mit der neuen Methode möglich, die Beschränkungen des Streuquerschnitts von hellen dunklen Teilchen zu verschärfen, deren Masse ein Fünftel der Masse eines Protons nicht überschreitet. Ein Vorabdruck der Arbeit ist unter arXiv.org verfügbar.
Wenn eine Gravitationswelle die Erde durchquert, dehnen und ziehen sich alle ihre Objekte fast unmerklich zusammen. Wenn beispielsweise bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit einer Masse in der Größenordnung von mehreren Sonnenmassen eine Welle emittiert wurde, beträgt die relative Längenänderung der Objekte etwa 10−21. Mit herkömmlichen Geräten ist es fast unmöglich, eine solche Dehnung zu spüren, aber die Gravitationsdetektoren LIGO und Virgo erledigen den Job. Jedes dieser Interferometer erfasst Schwankungen in der Länge der Arme, deren Amplitude ein Hundertstel des Protonenradius (ca. 10-18 Meter) nicht überschreitet. Daher gehören Gravitationsdetektoren zu den empfindlichsten Geräten, mit denen Physiker je gearbeitet haben.
Um diese hohe Empfindlichkeit zu erreichen, haben Physiker einige clevere technische Erkenntnisse in Gravitationsinterferometern verwendet. Erstens verfolgt der Detektor die Schwingungen der Spiegel nicht direkt, sondern entsprechend der Änderung des Interferenzmusters. Zweitens sind am Ende jedes Arms des Interferometers halbdurchlässige Spiegel installiert, die ein Paar Interferometer innerhalb der Installation bilden und die Laufzeit des Laserstrahls um das Hundertfache erhöhen. Drittens, um den Effekt des Quantenrauschens zu reduzieren, "quetschen" Wissenschaftler das Licht, das es durchquert. Um schließlich das Gravitationssignal von Hintergrundgeräuschen zu befreien, werden alle drei Einstellungen ständig gegeneinander abgeglichen. Lesen Sie mehr über die Arbeit der LIGO / Virgo-Detektoren und die Tricks, die ihnen helfen, Gravitationswellen in den Materialien "Dünner als ein Proton" und "Der Anspitzer für einen Quantenstift" zu registrieren.
Eine Gruppe von Physikern um Masaki Mori hat vorgeschlagen, die unglaubliche Empfindlichkeit von Gravitationsdetektoren zu nutzen, um nach Teilchen der Dunklen Materie zu suchen - einer Substanz, die etwa 20 Prozent der Masse des Universums ausmacht. Das neue Verfahren basiert auf der folgenden Idee. Da sich die Erde relativ zum Zentrum der Galaxie mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 Kilometern pro Sekunde bewegt und der Halo der Dunklen Materie in erster Näherung bewegungslos ist, wird unser Planet ständig von einem Wind aus dunklen Partikeln verweht. Wenn der Wirkungsquerschnitt dieser Teilchen mit Teilchen der gewöhnlichen Materie endlich ist, können sie mit den Atomen des Spiegels kollidieren, Impuls auf den Spiegel übertragen und das Interferenzmuster des Gravitationsdetektors verzerren. Folglich ist es theoretisch möglich, aus dem Detektorsignal Beschränkungen hinsichtlich der Häufigkeit solcher Kollisionen, des Wirkungsquerschnitts und der Masse von dunklen Teilchen zu isolieren.
Um diese Annahme zu überprüfen, untersuchten Wissenschaftler theoretisch die Kollision eines dunklen Teilchens und eines zylindrischen Spiegels. Generell kann eine solche Kollision zwei grundsätzlich verschiedene Arten von Schwingungen anregen. Zuerst drückt das Teilchen den Spiegel und bringt ihn zum Schwingen (um die Wirkung von Vibrationen zu reduzieren, sind die Spiegel des Gravitationsinterferometers an dünnen Glasfäden aufgehängt). Zweitens zittert er wie Gelee. Unter Berücksichtigung der Zusammensetzung und der geometrischen Parameter der Spiegel, die in verschiedenen Interferometern (LIGO, Virgo, der im Bau befindliche KAGRA-Detektor und das hypothetische Einstein-Teleskop) installiert sind, schätzten die Wissenschaftler die Form des Signals ab, das nach der Kollision eines dunklen Teilchens auftritt und ein Spiegel. Bei beiden Schwingungsarten sah das Signal wie ein ziemlich scharfer Peak aus, der sich bei der entsprechenden Resonanzfrequenz befand.
Schließlich berechneten Physiker mit diesen Daten das Signal-Rausch-Verhältnis und schätzten die Parameter der Teilchen ab, bei denen die Detektoren etwas wahrnehmen würden. Es zeigte sich, dass die Empfindlichkeit der neuen Methode den bisherigen Experimenten für Teilchen mit einer Masse von weniger als 200 Megaelektronenvolt (ein Fünftel der Masse eines Protons) überlegen ist. Wenn man beispielsweise mit Spiegeln des hypothetischen Einstein-Teleskops arbeitet, liegt der minimale Streuquerschnitt, bei dem der Detektor dunkle Teilchen sieht, bei 10−35 m², wobei m die Masse eines dunklen Teilchens in Gigaelektronenvolt ist.
Minimaler Querschnitt, bei dem dunkle Materieteilchen mit der neuen Methode (dicke schwarze Linie) und früheren Experimenten (alle anderen Linien) gesehen werden können
Obwohl in den letzten zwanzig Jahren kein Detektor für dunkle Materie hypothetische Teilchen aufgefangen hat, verbessern Physiker weiterhin bestehende experimentelle Einrichtungen und entwickeln neue. Der Fokus dieser Entwicklungen verlagert sich jedoch allmählich hin zu hellen Teilchen der Dunklen Materie, für die die bestehenden Beschränkungen noch nicht starr genug sind. Allein im letzten Jahr haben wir über drei vielversprechende Techniken zum direkten Nachweis von hellen Teilchen der Dunklen Materie geschrieben. Im März schlugen Forscher in den Vereinigten Staaten und Israel vor, hypothetische Teilchen mit dünnen supraleitenden Drähten einzufangen. Im Juni entwickelte dieselbe Gruppe einen Diamantdetektor, der gleichzeitig drei Arten von leichten Kandidaten für dunkle Materieteilchen aufspüren kann. Und im April entwickelten amerikanische Physiker die sogenannte „Schneekammer“– einen Detektor mit unterkühltem Wasser, das gefriert, wenn ein hypothetisches Lichtteilchen durchfliegt. Beachten Sie, dass das neue Experiment, das von japanischen Wissenschaftlern vorgeschlagen wurde, auch auf Lichtteilchen abzielt, die in gängigen Theorien der Dunklen Materie nicht vorkommen.
Auf der anderen Seite sind einige Physiker frustriert über ihre Misserfolge bei der Suche nach dunkler Materie und haben Theorien entwickelt, in denen dunkle Teilchen prinzipiell nicht eingefangen werden können. Im November 2017 schlug beispielsweise der amerikanische theoretische Physiker Human Davudiazl vor, dass Teilchen der Dunklen Materie durch eine unbekannte fünfte Kraft von der Erde abgestoßen werden, die sich nur um große Haufen gewöhnlicher Materie herum manifestiert. Und im Juli 2018 zeigten dänische Physiker, dass unterirdische Detektoren für dunkle Materie aufgrund der Abschirmung von der Erdkruste hypothetische Teilchen übersehen könnten.
