Në studimet e reja, studiuesit eksplorojnë mënyra të reja për të gjuajtur materien e errët

Për dekada, astronomët dhe fizikantët janë përpjekur të zgjidhin një nga misteret më të thella rreth kozmosit: rreth 85% e masës së tij mungon. Vëzhgime të shumta astronomike tregojnë se masa e dukshme në univers nuk është pothuajse e mjaftueshme për të mbajtur galaktikat së bashku dhe për të llogaritur se si grumbullohet materia. Një lloj grimce nënatomike e padukshme, e panjohur, e quajtur materia e errët, duhet të sigurojë ngjitësin shtesë gravitacional.

Në laboratorët nëntokësorë dhe në përshpejtuesit e grimcave, shkencëtarët kanë qenë duke kërkuar për këtë lëndë të errët pa sukses për më shumë se 30 vjet. Studiuesit në NIST tani po eksplorojnë mënyra të reja për të kërkuar grimcat e padukshme. Në një studim, një prototip për një eksperiment shumë më të madh, studiuesit kanë përdorur detektorë superpërçues më të fundit për të gjuajtur për materien e errët.

Studimi ka vendosur tashmë kufij të rinj në masën e mundshme të një lloji të materies së errët të hipotezuar. Një ekip tjetër i NIST ka propozuar që elektronet e bllokuara, të përdorura zakonisht për të matur vetitë e grimcave të zakonshme, mund të shërbejnë gjithashtu si detektorë shumë të ndjeshëm të grimcave hipotetike të materies së errët nëse ato mbajnë ngarkesë.

Në studimin e detektorit superpërcjellës, shkencëtarët e NIST Jeff Chiles dhe Sae Woo Nam dhe bashkëpunëtorët e tyre përdorën nanotela superpërçues të silicidit tungsten vetëm një të mijëtën e gjerësisë së flokut të njeriut si detektorë të lëndës së errët.

“Superpërcjellja” i referohet një vetie që disa materiale, të tilla si silici i tungstenit, kanë në temperatura shumë të ulëta: rezistencë zero ndaj rrjedhës së rrymës elektrike. Sistemet e telave të tillë, të njohur zyrtarisht si detektorë me nanotel me një foton superpërçues (SNSPDs), janë jashtëzakonisht të ndjeshëm ndaj sasive jashtëzakonisht të vogla të energjisë që jepen nga fotonet (grimcat e dritës) dhe ndoshta grimcat e lëndës së errët kur ato përplasen me detektorët.

Studiuesit përdorin SNSPD në një temperaturë pak nën pragun e kërkuar që nanotelat të bëhen superpërçues. Në këtë mënyrë, edhe një sasi e vogël energjie e depozituar nga një grimcë hyrëse do të prodhojë nxehtësi të mjaftueshme për të zhvilluar rezistencën elektrike në tela.

Me rrjedhën e rrymës përmes nanotelit tani të penguar, rryma udhëton përgjatë një rruge të dytë të lidhur me një përforcues elektrik. Rryma gjeneron një tension të shkurtër por të matshëm – një sinjal që një pjesë e nanotelit nxehet duke ndërvepruar me një foton ose, ndoshta, me një grimcë të lëndës së errët.

Eksperimenti SNSPD përbëhej nga një grup i vogël katror i nanotelave, secili 140 nanometra (nm, ose të miliardat e një metri) në diametër dhe i vendosur 200 nm larg njëri-tjetrit, të kufizuar brenda një kutie të mbyllur dritën. Studiuesit shtuan një grumbull të dy llojeve të materialeve izoluese, të dizajnuara për të bërë më shumë gjasa që sistemi të mund të kërkonte një lloj grimce hipotetike të materies së errët të njohur si një foton i errët.

Sipas parashikimeve teorike, një foton i errët që përplaset me pirgun ka të ngjarë të asgjësohet dhe të gjenerojë një foton të zakonshëm infra të kuqe në vend të tij. Një lente më pas do të fokusonte fotonin në qarkun SNSPD, ku mund të ndërveprojë me nanotelat dhe të zbulohet si një sinjal tensioni.

Eksperimenti i vogël prej 180 orësh nuk gjeti prova të fotoneve të errëta në intervalin e masës së ulët prej 0,7 deri në 0,8 elektron volt/c2 (eV/c2), më pak se gjysmë e milionta e masës së elektronit, stalla më e lehtë e njohur. grimcë. (Për shkak se masat e grimcave nënatomike janë shumë të vogla për t’u shprehur me lehtësi në termat e një fraksioni të kilogramit, fizikanët përdorin përkufizimin e masës në E=mc2 të Ajnshtajnit.)

Edhe pse eksperimenti do të duhej të kryhet në një shkallë më të madhe me shumë më shumë detektorë për të siguruar një bazë të dhënash të zgjeruar, ai është ende kërkimi më i ndjeshëm për fotonet e errëta të kryera deri më tani në këtë gamë të masës, tha Nam. Studiuesit, duke përfshirë bashkëpunëtorë nga Instituti i Teknologjisë në Masaçusets, Universiteti Stanford, Universiteti i Uashingtonit, Universiteti i Nju Jorkut dhe Instituti Flatiron, raportuan rezultatet e tyre në një artikull në Physical Review Letters.

Në një raport të dytë, disa nga të njëjtët studiues të NIST dhe bashkëpunëtorët e tyre analizuan të dhënat nga studimi i parë në një mënyrë tjetër. Shkencëtarët injoruan efektet e mundshme të grumbullit të materialit izolues dhe u përqendruan vetëm në atë nëse çdo lloj grimcash të materies së errët do të ishte në gjendje të ndërvepronte me elektrone individuale në vetë detektorin me nanotel – qoftë duke shpërndarë një elektron ose duke u zhytur prej tij.

Edhe pse i vogël, ky studim ka vendosur kufijtë më të fortë të çdo eksperimenti deri më sot – duke përjashtuar kërkimet astrofizike dhe studimet e diellit – mbi fuqinë e ndërveprimeve midis elektroneve dhe materies së errët në masën nën-milion eV. Kjo e bën të mundshme që një version i shkallëzuar i konfigurimit të SNSPD mund të japë një kontribut të rëndësishëm në kërkimin e lëndës së errët, tha Chiles.

Ai dhe kolegët e tij nga Universiteti Hebraik i Jerusalemit, Universiteti i Kalifornisë, Santa Cruz, Instituti Santa Cruz i Universitetit të Kalifornisë për Fizikën e Grimcave; dhe MIT raportoi këtë analizë në një artikull në edicionin e 8 dhjetorit të Physical Review D.

Në një studim të tretë, një fizikant NIST dhe kolegët e tij propozuan që elektronet e vetme, të kufizuar elektromagnetikisht në një zonë të vogël të hapësirës, mund të ishin detektorë të ndjeshëm të grimcave të ngarkuara të lëndës së errët. Për më shumë se tre dekada, shkencëtarët kanë përdorur një popullsi shumë më të rëndë të joneve të beriliumit të ngarkuar pozitivisht për të hetuar vetitë elektrike dhe magnetike të grimcave të zakonshme (jo të errëta) të ngarkuara.

Megjithatë, elektronet do të ishin detektorë idealë për të ndjerë grimcat e materies së errët nëse ato grimca kanë edhe ngarkesën më të vogël elektrike. Kjo për shkak se elektronet kanë masën më të ulët të çdo grimce të ngarkuar të njohur dhe për këtë arsye shtyhen ose tërhiqen lehtësisht nga shqetësimi më i thjeshtë elektrik, siç është një grimcë me një ngarkesë të vogël elektrike që kalon afër.

Do të nevojiteshin vetëm disa elektrone të vetme të bllokuara për të zbuluar grimcat e ngarkuara të lëndës së errët me vetëm një të qindtën e ngarkesës së një elektroni, tha fizikani i NIST, Jake Taylor, një anëtar i Institutit të Përbashkët Kuantik dhe Qendrës së Përbashkët për Informacionin Kuantik dhe Shkencën Kompjuterike. partneritetet kërkimore midis NIST dhe Universitetit të Maryland.

Elektronet e bllokuara elektromagnetikisht do të ftoheshin në një fraksion të një shkalle mbi zero absolute në mënyrë që të kufizohej nervozizmi i natyrshëm i grimcave. Taylor, së bashku me Daniel Carney nga Laboratori Kombëtar Lawrence Berkeley në Kaliforni, Hartmut Haffner nga Universiteti i Kalifornisë, Berkeley, dhe David C. Moore nga Universiteti Yale, përshkruan eksperimentin e tyre të propozuar në një Letra për Rishikimin Fizik.

Duke e konfiguruar kurthin në mënyrë që forca e izolimit të elektronit të jetë e ndryshme përgjatë çdo dimensioni – gjatësia, gjerësia dhe lartësia – kurthi mund të sigurojë gjithashtu informacion rreth drejtimit nga i cili erdhi grimca e materies së errët.

Megjithatë, shkencëtarët duhet të përballen me një sfidë teknologjike përpara se të mund të përdorin kurthin e elektroneve për të kërkuar për materien e errët. Fotonet përdoren për të ftohur, manipuluar dhe ndjerë lëvizjen e joneve dhe elektroneve të bllokuara. Për jonet e beriliumit, ato fotone – të krijuara nga një lazer – bien në rrezen e dritës së dukshme.

Teknologjia që u mundëson fotoneve të dritës së dukshme të manipulojnë jonet e beriliumit të bllokuar është e vendosur mirë. Në të kundërt, fotonet e nevojshme për të ndjerë lëvizjen e elektroneve të vetme kanë energji mikrovalore dhe teknologjia e nevojshme e zbulimit ende nuk është përsosur. Megjithatë, nëse interesi për projektin është mjaft i fortë, shkencëtarët mund të zhvillojnë një kurth elektronik të aftë për të zbuluar lëndën e errët në më pak se pesë vjet, vlerësoi Carney.

Në një studim tjetër, një studiues i NIST dhe një grup ndërkombëtar kolegësh po kërkojnë përtej Tokës për të gjuajtur për materien e errët. Një ekip që përfshin Marianna Safronova nga Universiteti i Delaware dhe Instituti i Përbashkët Kuantik ka propozuar që një gjeneratë e re e orëve atomike, të instaluara në një anije kozmike që do të fluturonte më afër diellit sesa orbita e Mërkurit, mund të kërkonte për shenja të materies së errët ultra të lehtë.

Ky lloj hipotetik i materies së errët, i lidhur me një halo që rrethon diellin, do të shkaktonte ndryshime të vogla në konstantet themelore të natyrës, duke përfshirë masën e elektronit dhe konstantën e strukturës së imët.

Ndryshimet në këto konstante do të ndryshonin frekuencën në të cilën orët atomike vibrojnë – shpejtësinë me të cilën ato “shënojnë”. Midis shumëllojshmërisë së madhe të orëve atomike, studiuesit do të zgjidhnin me kujdes dy që kanë ndjeshmëri të ndryshme ndaj ndryshimeve në konstantet themelore të nxitura nga materia e errët ultra e lehtë. Duke matur raportin e dy frekuencave të ndryshme, shkencëtarët mund të zbulojnë praninë e materies së errët, llogaritën studiuesit.