암흑 물질에 대한 검색은 흥미 롭습니다. 말 그대로 어둠 속의 총알입니다. 과학자들은 이것을 확신하지만 암흑 물질 그것은 존재합니다. 우주의 모든 정상적인 물질은 은하가 함께 유지되는 방식을 단순히 설명할 수 없기 때문에 그들은 그것이 무엇인지 모릅니다. 그들은 또한 그가 어디에 있는지 실제로 알지 못합니다(몇 가지 아이디어는 있지만). 그들은 확실히 그것이 어떻게 생겼는지 모릅니다.
그러나 물리학계는 우리 우주의 어두운 면이 우리 우주의 놀라운 95%를 차지하기 때문에 이 애매한 입자를 조사하는 데 열심입니다. 암흑 에너지공간 확장을 가속화하는 보이지 않는 힘.
그러나 실제로 무엇을 분석해야 할지 모른 채 어떻게 무언가를 분석할 수 있습니까? 글쎄, 한 가지 방법이 있습니다. 우리는 아직 암흑 물질이 무엇인지 알지 못하지만 과학자들은 암흑 물질이 무엇인지 천천히 발견할 수 있습니다.
이것은 미네소타의 광산 깊숙이 묻힌 탐지기가 캡처한 데이터를 통해 최근 연구에 전념하는 여러 연구원이 수행한 작업입니다. 그들은 암흑 물질의 증거를 찾지 못했지만 언젠가 이 현상을 탐지하기 위해 가장 좁은 한계 중 하나를 설정했다고 말합니다. 그들의 발견에 대한 전체 개요를 가지고 있었다 출판 6월 피지컬 리뷰 D.
Northwestern University의 연구 공동 저자이자 박사후 연구원인 Daniel Jardine은 Space.com에 “무효 결과가 긍정적인 결과만큼 영향력이 있을 수 있는 과학의 사고 방식에 관한 것입니다.”라고 말했습니다. “분명히 암흑 물질을 발견하는 것은 멋졌지만 우리는 암흑 물질 매개 변수 공간의 새로운 조각을 잘라낼 수 있었습니다.”
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이러한 최신 발견은 Jardin이 회원인 SuperCryogenic Dark Matter Search(SuperCDMS) 협력과 관련이 있습니다.
간단히 말해서 팀은 실험적인 SuperCDMS 검출기가 이제 암흑 물질 입자를 배제할 수 있다고 결론지었습니다. 약까지 양성자 질량의 약 1/5 – 그리고 아마도 더 적은 질량.
Jardine은 “나는 항상 미지의 것을 쫓는 것을 좋아했고, 이것은 그만큼 큰 일입니다.”라고 말했습니다. “제 경력이 저를 이곳으로 이끈 것이 매우 기쁩니다. 아무리 짧더라도 다른 시련이 불가피하게 따라잡을 때까지 이 결과가 세계 최고였다고 항상 말할 수 있습니다.”
잠깐, SuperCDMS가 무엇인가요?
암흑 물질 입자의 증거를 포착하기 위해 SuperCDMS 협력은 SuperCDMS라고도 하는 실험과 함께 작업하고 있습니다.
이 실험은 기본적으로 암흑 물질 입자(무엇이든)가 검출기 자체에 내장된 물질, 특히 게르마늄 또는 실리콘의 원자핵과 충돌하는지 여부와 시기를 결정할 수 있는 검출기의 성능을 활용합니다.
Jardine은 “어렸을 때부터 우주에 관심을 가졌습니다. 왜냐하면 우주는 지구상의 모든 것이 너무 작고 하찮게 보이기 때문입니다.”라고 말했습니다. “그런 다음 나는 암흑 물질에 대해 배웠고 우리가 밤하늘에서 보는 모든 별과 은하와 사물이 우주의 5% 미만을 구성한다는 것을 믿을 수 없었습니다.”
좀 더 기술적으로 접근하면 SuperCDMS는 이러한 암흑 물질 입자가 “탄성 충돌”로 알려진 것과 관련이 있는지 여부를 결정할 수 있습니다. 만약 그렇다면 암흑 물질 입자가 분해될 때 손실된 에너지가 영향을 받는 원자핵의 운동으로 전달될 것입니다. 차례로 두 비트가 다시 바운스됩니다.
SLAC 국립 가속기 연구소(SLAC National Accelerator Laboratory)의 과학자이자 연구 공동 저자인 노아 코린스키(Noah Korinsky)는 마치 두 개의 당구공이 서로 부딪혀 탁자 위에서 약간 뒤로 튕기는 것과 같을 것이라고 말했습니다.
하지만 여기에 문제가 있습니다.
SuperCDMS는 아직 어떤 탄성 충돌도 발견하지 못한 것 같습니다. Jardin에 따르면 그러한 발견이 노벨상을 받을 가능성이 높기 때문에 지금쯤이면 이미 그것에 대해 들었을 것입니다. 그러나 남부 감리교 대학의 연구 조교수인 Rob Calkins를 포함한 이 연구팀은 흥미로운 질문을 내놓았습니다.
SuperCDMS가 그동안 아무도 찾지 않았던 또 다른 유형의 충돌을 포착하면 어떻게 될까요? 특히, 비탄성 충돌.
이러한 새로운 발견을 감안할 때 그들은 분명히 무언가를 알고 있었습니다.
“탄성 충돌을 찾는 것은 SuperCDMS의 주요 동인으로 남아 있지만 비탄성 충돌을 보는 것은 실험이 이전에 둔감했던 암흑 물질 매개 변수 공간에 대한 길을 열었습니다.”라고 Jardine은 설명했습니다.
비탄성 암흑 물질의 가능한 충돌이 작동할 수 있는 두 가지 방법이 있습니다. 팀에 따르면 첫 번째는 제동복사. 검출기에서 이러한 유형의 비탄성 충돌이 발생하면 암흑 물질 입자는 당구공의 예에서처럼 그냥 튕겨 나가는 대신 에너지의 일부를 광자 또는 광자로 전달할 것입니다.
반면에 비탄성 충돌은 미드갈 효과. 이 방출이 발생하면 암흑 물질 입자가 핵에 부딪히면 핵 자체가 제자리에서 벗어나 전자 구름의 분포가 엉망이 됩니다. 원래 위치로 돌아가면 흐르는 전자 중 일부가 방출됩니다.
지나친 단순화의 위험을 무릅쓰고 이것은 팀이 날아다니는 광자 또는 고독한 전자 하드코어의 SuperCDMS 신호를 찾고 있었다는 것을 의미합니다.
Jardine은 “세는 것만큼 쉽지 않았습니다.”라고 말했습니다. “이 분석은 몇 가지 알려진 배경 소스뿐만 아니라 신호의 전력 프로파일을 모델링하기 위해 스펙트럼 모양을 사용했습니다.”
결국 검색 결과는 비어 있었지만 이야기는 여기서 끝나지 않았습니다.
Jardin은 “그런 다음 통계를 사용하여 질문에 답했습니다. “알려진 배경에 대한 신호를 볼 확률은 얼마입니까? 이 질문은 수십만 번 반복되며 신호를 볼 수 있어야 하는 매개변수 공간을 생략하고 볼 수 없습니다.
항상 은색 안감이 있습니다
“매초 약 10억 개의 암흑 물질 입자가 당신을 통과하지만 그것들은 당신이 말할 수 없을 정도로 드물게 상호 작용합니다.”라고 Jardine은 말했습니다. “우리는 10억 분의 1의 상호 작용 기회를 찾고 있습니다.”
이 황금 티켓은 발견되지 않았지만 다른 형태의 보물이 밝혀졌습니다.
무엇보다도 SuperCDMS 신호에 대한 모든 통계적 연구는 암흑 물질 입자에 대한 잠재적인 낮은 질량 한계에 대한 결론을 팀에 제공했습니다.
“탄성 충돌에 대한 SuperCDMS만큼 낮은 암흑 물질 질량에 민감하지 않은 또 다른 암흑 물질 실험은 범위를 확장하고 경기장을 평평하게 한 유사한 분석을 발표했습니다. 그것을 읽으면서 우리는 우리가 같은 방법입니다.”라고 Jardine이 말했습니다.
또한 그는 팀이 “보다 복잡한 통계 및 지구와의 상호 작용을 포함하는 등 분석에 더 많은 것을 추가했다”고 설명했다.
그래, 지구
아마도 훨씬 더 인상적인 것은 팀이 모든 것을 고려한 방식입니다. 땅우주에서의 위치는 이러한 암흑 물질 신호에 영향을 미칠 수 있습니다.
그들이 보여주는 것처럼 암흑 물질이 사물과 충분히 강하게 상호작용한다면 그것은 우리의 작은 지하 지구 탐지기로 가는 길에 말 그대로 모든 것과 상호작용할 가능성이 있습니다. 상호 작용이 무르익은 것 중 하나는 지구의 대기입니다.
팀은 암흑 물질 입자가 우리 대기와 상호 작용했다면 이 행성 보호막은 우리가 신호를 포착할 때까지 입자 에너지의 일부를 가져갔을 것이라고 추론했습니다.
“암흑 물질은 은하계 주변의 큰 공에서 어느 정도 편재하는 것으로 생각됩니다.”라고 Jardine은 말했습니다. 우리 태양계는 나선형 팔에 있습니다 은하수 즉, 지구는 태양 주위를 공전하고 지구는 자체 축을 중심으로 자전합니다. 이 천문 운동은 지구가 암흑 물질 입자의 바다를 통과하고 있음을 의미하지만, 우리의 관점에서 암흑 물질 입자는 끊임없이 지구와 탐지기를 폭격하는 것 같습니다.”
따라서 연구원들은 이러한 상호 작용하는 암흑 물질 입자가 뚫을 수 있는 에너지 상한이 있을 가능성이 있음을 깨달았습니다. 즉, 반응성이 있는 경우입니다.
지구 대기의 밀도와 같은 것을 모델링하고 지질학자들과 협력하여 SuperCDMS가 묻혀 있는 미네소타 광산 위에 어떤 유형의 암석이 있는지 파악하고 수많은 다른 변수를 통해 그들은 이미 상위 암흑 물질 에너지 경계를 발견했습니다.
“일부 데이터에 선을 맞추면 회귀와 절편이라는 두 가지 매개 변수가 있습니다.”라고 Jardine은 말했습니다. “이 분석에서 우리는 동시에 50개 이상의 적합 기준을 가지고 있었습니다.”
다음 단계에 대해 Jardine은 이 Sherlock Holmes 스타일 추론이 계속될 것이라고 말했습니다. 그리고 그런 생각이 떠오르면 모든 것을 한 눈에 볼 수 있도록 팀 점수를 보는 시각적 방법을 강조하세요.
“이 결과(검은색 선)는 다른 사람들이 이전에 액세스하지 않은 새로운 매개변수 공간을 생략하지만 왼쪽에는 훨씬 더 많은 열린 공간이 있고 위아래로 블록이 적어 상호 작용 기회가 적음을 나타냅니다.”라고 말했습니다. . 이들은 조사하기가 점점 더 어려워지고 있지만 암흑물질 물리학자들은 영리합니다.
이 암흑 물질 사냥꾼은 확실히 별에 도달하여 달에 부드럽게 착륙했습니다.
“경순은 통찰력 있고 사악한 사상가로, 다양한 음악 장르에 깊은 지식을 가지고 있습니다. 힙스터 문화와 자연스럽게 어우러지는 그의 스타일은 독특합니다. 그는 베이컨을 좋아하며, 인터넷 세계에서도 활발한 활동을 보여줍니다. 그의 내성적인 성격은 그의 글에서도 잘 드러납니다.”