Kas olete huvitatud tumedast ainest? Kolm teadlast vastavad teie küsimustele

Enectali Figueroa-Feliciano

Enectali Figueroa-Feliciano


Harry nelson

Harry nelson

Hall Rybka

Hall Rybka


20. novembril alates kella 12st. kuni 12.30. PST (20: 00–20: 30 UTC), Enectali Figueroa-Feliciano, Harry Nelson ja Gray Rybkavastake oma küsimustelejärgmise põlvkonna tumeaine katsetest. Esitage oma küsimused enne veebiülekannet ja selle ajal, saates e -posti aadressile info@kavlifoundation.org või kasutades hashtagi #KavliLiveTwittervõiGoogle+. Vahepeal nautige seda tumeda aine taustal põhinevat tausta, mis põhineb nende teadlastega toimunud ümarlaual ja mille on koostanud Kelen Tuttle ja Kavli fond.

ENECTALI FIGUEROA-FELICIANO- on SuperCDMS koostöö liige ja MIT Kavli astrofüüsika ja kosmoseuuringute instituudi füüsika dotsent.

HARRY NELSON-on LUX-ZEPLIN eksperimendi teadusjuht ja on Santa Barbara California ülikooli füüsikaprofessor.

KALA HALL-juhib kaaskõnelejana ADMX Gen 2 katset ja on Washingtoni ülikooli füüsika teadusdotsent.




KAVLI FOND:Kolm järgmise põlvkonna tumeda aine katset-Axion Dark Matter eXperiment Gen 2, LUX-ZEPLIN ja Super Cryogenic Dark Matter Search SNOLABis-sai rahastamiseks rohelise tule 2014. aasta juulis. Igaüks neist on vähemalt 10 korda tundlikum kui tänapäeva tumeda aine detektorid. Me teame, et tumeaine on viis korda levinum kui tavaline aine, ja võime järeldada, et tumeaine tükid aitavad galaktikaparve kokku hoida. Nii et see aine on tohutu osa sellest, mis moodustab meie universumi, ja oluline osa sellest, miks meie universum näeb välja selline, nagu ta näeb. Miks me siis ei saanud seda otse jälgida? Mis meid tagasi hoiab?

HARRY NELSON:Suur osa väljakutsest on see, et tumeaine ei suhtle meiega eriti. Me teame, et tumeaine läbib kogu aeg meie galaktikat, kuid see ei häiri seda ainetüüpi, millest me oleme valmistatud.

Veelgi enam, tumeaine ei suhtle ka iseendaga eriti. Aine, mida me iga päev enda ümber näeme, suhtleb iseendaga: aatomid moodustavad molekule, molekulid mustust ja mustus planeete. Kuid see ei kehti tumeda aine kohta. Tume aine on laialt levinud ja ei moodusta tihedaid esemeid, nagu oleme harjunud. See koos asjaoluga, et see ei suhtle meie tüüpi ainetega väga sageli, muudab selle avastamise raskeks.

ENECTALI FIGUEROA-FELICIANO:See, mida Harry ütleb, on täiesti õige. Minu meelest on loodus kiuslik. On midagi, millest me lihtsalt ei saa aru universumi toimimise sisemise struktuuri kohta. Kui teoreetikud kirjutavad üles kõik viisid, kuidas tumeaine võib meie osakestega suhelda, leiavad nad lihtsaimate mudelite puhul, et oleksime pidanud seda juba nägema. Ehkki me pole seda veel leidnud, on seal sõnum, mida proovime praegu dekodeerida.


TKF:Tegelikult on loodus nii kohmakas, et me ei tea veel, millised tumeaine osakesed välja näevad. Hall, teie eksperiment - ADMX - otsib teistsugust osakest kui see, mida Tali ja Harry otsivad. Miks nii?

KALAMÄNG:Nagu te ütlete, otsib minu projekt - Axion Dark Matter eXperiment ehk ADMX - teoreetilist tüüpi tumeda aine osakesi, mida nimetatakse aksiooniks, mis on äärmiselt kerge ilma elektrilaengu ja keerutamiseta. Harry ja Tali otsivad Weimly Interacting Massive Particle jaoks teist tüüpi tumedat ainet nimega WIMP, mis kirjeldab mitmeid teoreetilisi osakesi, mis suhtlevad meie maailmaga väga nõrgalt ja väga harva.

Nii WIMP kui ka aksioon on tõesti head tumeaine kandidaadid. Need on eriti suurepärased, sest nad selgitaksid korraga nii tumedat ainet kui ka muid füüsika saladusi. Ma arvan, et mulle meeldib aksioon, sest selle otsimiseks pole palju katseid. Kui ma hakkan mängima ja kulutan palju aega eksperimendile, et midagi otsida, siis ma ei taha otsida midagi, mida kõik teised otsivad.

Oleme ADMX -i katset värskendanud alates 2010. aastast ja näidanud, et meil on olemas tööriistad, mis on vajalikud aksioonide nägemiseks, kui need on olemas. ADMX on skaneerimiskatse, kus skaneerime ükshaaval erinevaid masse, mis sellel aksioonil olla võiks. See, kui kiiresti me skaneerime, sõltub sellest, kui külmalt saame katse teha. Gen2 -ga ostame väga, väga võimsa külmiku, mis saabub järgmisel kuul. Kui see saabub, saame skannida väga -väga kiiresti ja tunneme, et meil on palju paremad võimalused aksioonide leidmiseks - kui need on väljas.


TKF:Ja, Harry, miks sa panustad WIMP -ile?

NELSON:Kuigi panustan WIMP -idele, meeldivad mulle ka aksioonid. Kirjutasin isegi mõned paberid aksioonide kohta tagasi, millal. Kuid tänapäeval, nagu Gray ütles, otsin ma WIMP -sid. Minu koostööks on praegu suure maa -aluse ksenooni ehk LUX katse katsetamine Lõuna -Dakota kuulsates Black Hillsis, kaevanduses, mis oli 1876. aasta kullapalaviku, mis moodustas linna Deadwood, väljakasv. Sel kuul alustame oma 12-kuulist jooksu LUX-iga. Samuti arendame nüüd hoolega oma detektori uuendamise plaane, et muuta see uue LUX-ZEPLINi projekti jaoks rohkem kui 100 korda tundlikumaks.

Kuid ausalt öeldes on mul tegelikult natuke hoiak, et kõik need võimalused on ebatõenäolised. Ma ei ütle, et nende jaht on väärtusetu; see pole üldse see. Loodus ei pea austama füüsikute soovi. Soovime paremini mõista oma tugevat koostoimet, mehhanismi, mis vastutab tugeva tuumajõu eest, mis hoiab aatomituuma koos. Aksioon aitaks seda teha.

WIMP on suurepärane, kuna see on otseselt kooskõlas Suure Paugu füüsikaga. Paljud teadused põhinevad sellel, mida nimetatakseOccami habemenuga: Teeme võimalikult lihtsad eeldused ja seejärel testime neid väga hästi ning loobume lihtsusest vaid siis, kui seda absoluutselt vaja on. Olen alati tundnud, et WIMP on natuke lihtsam kui aksioon. Mõlemad on ebatõenäolised, kuid siiski parimad kandidaadid, kellele mõelda võime. Tõenäoliselt on tumeaine mõnevõrra erinev kui WIMP või aksioon, kuid me peame kuskilt alustama ning WIMP ja aksioon on parimad lähtekohad, mida võime ette kujutada.

TKF:Kui arvate, et WIMP on väljas, siis miks te seda otsite?

NELSON:WIMP -l ja aksioonil on absoluutselt parimad teoreetilised motiivid. Ja nii on suurepärane, et nii WIMP -del kui ka aksioonidel on tõeliselt tugevad katsed.

FIGUEROA-FELICIANO: Eksperimentaalina lähenen sellele vaatenurgast, et teoreetikud on väga targad ja on välja toonud uskumatu hulga võimalikke stsenaariume selle kohta, milline võiks olla tumeaine. Ja nagu Harry ütles, proovime kasutadaOccami habemenugaproovida välja juurida, millised neist asjadest on teistest tõenäolisemad. Kuid see pole eksimatu viis selle saavutamiseks. Tumeaine ei pruugi järgida võimalikult lihtsat selgitust. Seega peame olema selles suhtes pisut agnostilised.

Mõnes mõttes on see nagu kulla otsimine. Harryl on oma pann ja ta otsib kulda sügavast tiigist ning meie otsime veidi madalamat tiiki ja Gray on veidi ülesvoolu, vaadates oma kohta. Me ei tea, kes kulda leiab, sest me ei tea, kus see on.

See tähendab, et minu arvates on tõesti oluline rõhutada, kui hästi need kolm otsingut üksteist täiendavad. Üheskoos vaatame palju kohti, kus tumeaine võiks olla. Kuid me ei kata kindlasti kõiki võimalusi. Nagu Harry ütleb, võib juhtuda, et tumeaine on olemas, kuid meie kolm katset ei näe kunagi midagi, sest me otsime valest kohast - see võib asuda teises jõeharus, kust me pole veel otsimagi hakanud .

Üldiselt arvatakse, et tume energia annab 73 protsenti kogu universumi massist ja energiast. Veel 23 protsenti on tumeaine, mis jätab vaid 4 protsenti universumist tavalisest ainest, nagu tähed, planeedid ja inimesed. Sektordiagramm NASA kaudu

Üldiselt arvatakse, et tume energia annab 73 protsenti kogu universumi massist ja energiast. Veel 23 protsenti on tumeaine, mis jätab vaid 4 protsenti universumist tavalisest ainest, nagu tähed, planeedid ja inimesed. Sektordiagramm NASA kaudu

KALA:Ma vaatan seda natuke optimistlikumalt. Kuigi nagu Tali ütles, et kõik katsed võivad otsida täiesti valest kohast, on võimalik, et nad kõik leiavad ka tumeainet. Pole midagi, mis nõuaks tumeaine valmistamist ainult ühte tüüpi osakestest, välja arvatud meie, kes loodavad, et see on nii lihtne. Tumeaine võib olla üks kolmandik aksioone, üks kolmandik raskeid WIMP-sid ja üks kolmandik kergeid WIMP-sid. See oleks täiesti lubatud kõigest, mida oleme näinud.

FIGUEROA-FELICIANO:Ma nõustun. Oleksin pidanud ütlema, et meie otsitav kuldnokk on väga väärtuslik. Ehkki otsimine on raske, on see väärt, sest otsime väga väärtuslikku asja: mõista, millest tumeaine koosneb, ja avastada uus osa meie universumist. Selle otsingu lõpus on väga ilus auhind, nii et see on täiesti väärt.

TKF:Tali, räägi meile natuke tiigist, kus sa selle väga väärtusliku tumeaine tükikese pärast panoraamid.

FIGUEROA-FELICIANO:Minu katse käib praegu Soudanis, Minnesotas, kaevanduse sees, mis on veidi üle poole kilomeetri (2341 jalga) maa all. See katse, nimega SuperCDMS Soudan, oli mõeldud meie väljatöötatud uue tehnoloogia demonstreerimiseks, mis võimaldab meil otsida kergema massiga WIMP-sid. Selgub, et teatud WIMPide klassid, need, mis on kergemad kui Harry otsib, hoiavad detektorites väga vähe energiat. Meie detektorid suudavad eristada väga väikeseid detektorisse ladestunud energiakoguseid paljudest erinevatest signaalidest, mida saame radioaktiivsetest materjalidest, kosmilistest kiirtest ja igasugustest muudest asjadest, mis meie detektorite kaudu voolavad. Võimalus seda eraldada on väga oluline nii SuperCDMS -i kui ka LZ jaoks.

Meie katse järgmine samm on SuperCDMS SNOLAB. SNOLAB on Kanadas asuv niklikaevandus, mis on 2 kilomeetrit (6531 jalga) sügav. Oleme saanud loa ehitada sinna uus katse, et otsida neid väikese massiga WIMP-sid. Samuti, kui LUX või LZ näeb suurema massiga WIMP -d, saame seda mõõtmist kontrollida. Praegu oleme lõpetamas disaini ja astume esimesi samme selle uhiuue SNOLABi katse kokku panemiseks. Eeldame, et järgmise paari aasta jooksul on detektorite esimene etapp.

TKF:Kui üks teie katsetest leiab tõendeid tumeda aine kohta, siis millised oleksid järgmised sammud pärast pidulikku šampanjat?

KALA:Pange see pudelisse ja müüge, ma arvan! Kuid tegelikult ütleksin, et kõik katsed peavad jätkuma ka pärast sellist avastust, kuni keegi suudab lõplikult tõestada, et avastatud tumeaine moodustab 100 protsenti kogu universumi tumedast ainest.

NELSON:Ma oleks sellega nõus. Peaksime ka süvenema ja tõesti proovima aru saada, mida avastasime. Osakestefüüsikas on vana ütlus, et te pole avastanud osakest enne, kui teate selle massi, keerutust ja pariteeti-omadust, mis on oluline füüsikalise süsteemi kvantmehaanilises kirjelduses. Tumeaine tõeliseks avastamiseks peame tõestama, et see on see, mida me arvame, ja peame õppima selle omadusi. Pärast osakese avastamist saavad kõik palju targemaks, mida sellega teha. Viimasel ajal on see juhtunud Higgsi bosoniga. Suure Hadronite põrkeseadme inimesed saavad järjest targemaks, sest nüüd, kui nad on osakest näinud, saavad nad keskenduda selle ülekuulamisele.

Kui hakkame seda tegema tumeainega, näeme midagi uut. Just nii toimib teaduslik progress. Praegu ei näe me läbi seina, sest me pole aru saanud, millest sein on valmistatud. Aga kui me saame aru, mis seinas on - minu analoogia tumedale ainele -, siis näeme sellest läbi ja näeme järgmist.

FIGUEROA-FELICIANO:Lisan sellele oma kaks senti. Minu arvates juhtuks kolm erinevat asja, kui üks meie katsetest näeks veenvaid tõendeid tumeda aine kohta. Esiteks tahaksime avastuse teistsuguse tehnika abil kinnitada. Teisisõnu, me tahame enne võidu väljakuulutamist võimalikult palju kinnitust.

Seejärel pakuvad inimesed välja 100 erinevat viisi osakeste omaduste testimiseks, nagu Harry kirjeldas. Pärast seda aitab „tumeda aine astronoomia” etapp meil õppida osakese rolli universumis. Tahame mõõta, kui kiiresti see läheb, kui palju seda on, kuidas see galaktikas käitub.

TKF:Kui leiame isegi ainult ühte tüüpi tumeda aine osakesi, on ilmselgelt palju teha. Kuid tundub, et seal võib olla täiesti uus loomaaed tumedaid osakesi. Kas arvate, et vajame “tumedat standardmudelit”?

NELSON:Mul on sageli olnud järgmine mõte: Siin me oleme oma vaese 15 protsendi ulatuses universumi ainest ja mõtleme, mis on tumeaine. Kui tumeaine on sama keeruline kui meie, ei pruugi see isegi teada, et oleme olemas. Me oleme just see vähemus 15 protsenti, kuid kuidagi arvame, et oleme nii olulised. Kuid tumeainega tehtud katsed ei pruugi isegi teada, et me eksisteerime, sest oleme tumeda aine maailmas palju vähem häiritud kui tumeaine.

Tumeaine sektor võib olla sama keeruline - või võib -olla isegi viis korda keerulisem - kui meie oma. Nii nagu me oleme enamasti aatomitest, mis koosnevad elektronidest ja tuumadest, on võib -olla ka tumeaine. Mõne WIMP -i otsingu puhul peate olema ettevaatlik. Võib juhtuda, et see, kuidas need asjad meie asjaga suhtlevad, on hoopis teistsugune kui meie otsitav juhtum.

FIGUEROA-FELICIANO:Harry, kui sa kasutaksid meie universumis Occami habemenuga, siis kuidas läheb standardmudeliga?

NELSON:Noh, see ei lähe eriti hästi. Standardmudel on palju keerulisem kui vaja. Nii et võib -olla kehtib see ka tumeaine kohta. Võib -olla on seal isegi tumedaid footoneid. Idee on huvitav. ADMX -iga otsib Grey osakest, mis on seotud tugeva interaktsiooniga. Tali ja mina otsime osakest, mis on seotud nõrga interaktsiooniga. Ja tume footoni otsingud otsivad seost elektromagnetilise interaktsiooni ja tumeaine sektori vahel.

Kogukond tahab tõesti välja mõelda tumeainet. Sellega on kiireloomuline tunne ja me otsime seda igal võimalikul viisil.

KALA:See on tõsi. ADMX -i abil keskendume enamasti aksioonile, kuid otsime ka tumedaid footoneid madalamates massides. On tumeda aine kandidaate, millest inimesed on väga -väga elevil, näiteks aksioonid ja WIMP -d. Neil luuakse neile pühendatud katseid. Ja siis on ideid, mis võivad olla head, kuid millel pole nii palju motivatsiooni, nagu tumedad footonid. Inimesed otsivad endiselt võimalusi nende ideede testimiseks, sageli olemasolevate katsetega.

TKF:On selge, et on palju erinevaid kohti, kus võiksime leida tumedat ainet. Me otsime seda kulda igal pool, kus saame, kuid me pole täiesti kindlad, et see on olemas kõikjal, kust me otsime. Mis tunne on otsida midagi, mida te kunagi ei leia?

FIGUEROA-FELICIANO:Ma arvan, et tumeaine kallal töötavatel inimestel on teatud isiksus, natuke mängur. Me läheme kõrgetele panustele, pannes kõik kiibid sisse. On ka teisi füüsika valdkondi, kus me kindlasti midagi näeme. Selle asemel otsustame otsida midagi, mida me tegelikult ei näe. Kui me seda siiski näeme, on see suur asi.

Meil on tohutult õnne, et meile makstakse, et mõista, millest universum koosneb. See on uskumatult imeline asi.

NELSON:Mõnikord ma mõtlen, mis pidi olema Kolumbus ja tema meeskond või maadeavastajad, kes esimest korda Maa poolustele läksid. Nad asusid keset ookeani või jäässe ega teadnud, mis edasi saab. Kuid neil olid seatud eesmärgid: India ja Hiina Kolumbuse jaoks, poolused nende maadeavastajate jaoks. Oleme ka maadeavastajad, seadsime endale ka eesmärgid, et otsida teatud eelnevalt määratletud tundlikkust tumeaine suhtes. Teeme uuendusi kaasaegse tehnoloogiaga, et saavutada oma konkreetseid eesmärke. Ja me võime sellest teha uue maailma või põhjapooluse ja see on imeliselt põnev.

Lillaga kaetud tumeda aine jaotumine galaktikaparvi Abell 1689. Hubble

Lillaga kaetud tumeda aine jaotumine galaktikaparvi Abell 1689. Hubble'i kosmoseteleskoobi kujutise üle. Pilt NASA, ESA, E. Jullo (JPL/LAM), P. Natarajan (Yale) ja J-P kaudu. Kneib (LAM)

Alumine rida: Kavli Sihtasutus kutsub teid 20. novembril 2014 elavale küsimustele ja vastustele koos teadlastega tumeda aine otsingu esirinnas ja pakub seda tausta järgmise põlvkonna tumeaine katsetele, mis said eelmisel juulis rahastamiseks rohelise tule .