Tin tức Vũ trụ TV

Một tỷ con lắc nhỏ có thể phát hiện khối lượng còn thiếu của vũ trụ

Ngày:
Oct 16, 2020
Tóm lược:

Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp mới để tìm kiếm vật chất tối, vật chất bí ẩn của vũ trụ vốn đã không được phát hiện trong nhiều thập kỷ.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) và các đồng nghiệp của họ đã đề xuất một phương pháp mới để tìm kiếm vật chất tối, vật chất bí ẩn của vũ trụ đã không được phát hiện trong nhiều thập kỷ. Vật chất tối chiếm khoảng 27% vũ trụ; vật chất thông thường, chẳng hạn như những thứ tạo nên các ngôi sao và hành tinh, chỉ chiếm 5% vũ trụ. (Một thực thể bí ẩn được gọi là năng lượng tối chiếm 68% còn lại.)

Vật chất nhìn thấy được chỉ chiếm một lượng nhỏ trong thành phần của vũ trụ. Năng lượng tối, một thực thể bí ẩn đang tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ, chiếm ưu thế, kéo theo đó là vật chất tối, vật chất vô hình tác động lực hấp dẫn.
Vật chất nhìn thấy được chỉ chiếm một lượng nhỏ trong thành phần của vũ trụ. Năng lượng tối, một thực thể bí ẩn đang tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ, chiếm ưu thế, kéo theo đó là vật chất tối, vật chất vô hình tác động lực hấp dẫn.

Theo các nhà vũ trụ học, tất cả vật chất hữu hình trong vũ trụ chỉ trôi nổi trong một biển vật chất tối bao la – những hạt không nhìn thấy được nhưng vẫn có khối lượng và tác dụng lực hấp dẫn. Lực hấp dẫn của vật chất tối sẽ cung cấp chất keo còn thiếu giữ cho các thiên hà không bị tan rã và giải thích cho việc vật chất kết tụ với nhau như thế nào để tạo thành tấm thảm thiên hà phong phú của vũ trụ.

Thí nghiệm được đề xuất, trong đó các con lắc có kích thước một tỷ mm sẽ hoạt động như các cảm biến vật chất tối, sẽ là thí nghiệm đầu tiên chỉ tìm kiếm vật chất tối thông qua tương tác hấp dẫn của nó với vật chất nhìn thấy. Thí nghiệm sẽ là một trong số ít thí nghiệm tìm kiếm các hạt vật chất tối có khối lượng lớn bằng hạt muối, một quy mô hiếm khi được khám phá và chưa bao giờ được nghiên cứu bởi các cảm biến có khả năng ghi lại các lực hấp dẫn cực nhỏ.

Các thí nghiệm trước đây đã tìm kiếm vật chất tối bằng cách tìm kiếm các dấu hiệu phi hấp dẫn của tương tác giữa các hạt vô hình và một số loại vật chất thông thường. Đó là trường hợp của các cuộc tìm kiếm một loại vật chất tối giả định được gọi là WIMP (các hạt khối lượng lớn tương tác yếu), là một ứng cử viên hàng đầu cho vật liệu không nhìn thấy trong hơn hai thập kỷ. Các nhà vật lý đã tìm kiếm bằng chứng cho thấy khi WIMP đôi khi va chạm với các chất hóa học trong máy dò, chúng sẽ phát ra ánh sáng hoặc phóng ra điện tích.

Các nhà nghiên cứu tìm kiếm WIMP theo cách này đã đưa ra kết quả trắng tay hoặc thu được kết quả không thuyết phục; các hạt này quá nhẹ (theo lý thuyết là có khối lượng nằm trong khoảng giữa electron và proton) để phát hiện qua lực hấp dẫn của chúng.

Với việc tìm kiếm WIMP dường như đã ở những bước cuối cùng của nó, các nhà nghiên cứu tại NIST và các đồng nghiệp của họ hiện đang xem xét một phương pháp trực tiếp hơn để tìm kiếm các hạt vật chất tối có khối lượng lớn hơn và do đó sử dụng một lực hấp dẫn đủ lớn để được phát hiện.

Đồng tác giả của nghiên cứu Daniel Carney, một nhà vật lý lý thuyết liên kết với NIST, Viện lượng tử chung (JQI ) và Trung tâm Liên kết về Thông tin Lượng tử và Khoa học Máy tính (QuICS) tại Đại học Maryland ở College Park, và Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi.

Các nhà nghiên cứu, bao gồm Jacob Taylor của NIST, JQI và QuICS; Sohitri Ghosh của JQI và QuICS; và Gordan Krnjaic thuộc Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi, tính toán rằng phương pháp của họ có thể tìm kiếm các hạt vật chất tối có khối lượng tối thiểu bằng một nửa hạt muối, hoặc khoảng một tỷ tỷ lần khối lượng của một proton. Các nhà khoa học công bố phát hiện của họ ngày hôm nay trong tạp chí Physical Review D .

CHÚ THÍCH
Vật chất tối, thứ ẩn giấu trong vũ trụ của chúng ta, nổi tiếng là khó phát hiện. Để tìm kiếm bằng chứng trực tiếp, các nhà nghiên cứu của NIST đã đề xuất sử dụng một dãy mặt dây chuyền 3D làm máy dò lực, có thể phát hiện ảnh hưởng hấp dẫn của các hạt vật chất tối đi qua.TÍN DỤNG
NIST
CHÚ THÍCH Vật chất tối, thứ ẩn giấu trong vũ trụ của chúng ta, nổi tiếng là khó phát hiện. Để tìm kiếm bằng chứng trực tiếp, các nhà nghiên cứu của NIST đã đề xuất sử dụng một dãy mặt dây chuyền 3D làm máy dò lực, có thể phát hiện ảnh hưởng hấp dẫn của các hạt vật chất tối đi qua.
TÍN DỤNG: NIST

Bởi vì điều chưa biết duy nhất trong thí nghiệm là khối lượng của hạt vật chất tối, chứ không phải cách nó kết hợp với vật chất thông thường, “nếu ai đó xây dựng thí nghiệm mà chúng tôi đề xuất, họ sẽ tìm thấy vật chất tối hoặc loại trừ tất cả các ứng cử viên vật chất tối trong một phạm vi rộng Carney nói. Thí nghiệm sẽ nhạy cảm với các hạt có kích thước từ khoảng 1 / 5.000 miligam đến vài miligam.”

Quy mô khối lượng đó đặc biệt thú vị vì nó bao hàm cái gọi là khối lượng Planck, một khối lượng được xác định duy nhất bởi ba hằng số cơ bản của tự nhiên và tương đương với khoảng 1 / 5.000 của một gam.

Carney, Taylor và các đồng nghiệp của họ đề xuất hai phương án cho thí nghiệm vật chất tối hấp dẫn của họ. Cả hai đều liên quan đến các thiết bị cơ học nhỏ, kích thước milimet hoạt động như một thiết bị phát hiện trọng trường cực kỳ nhạy cảm. Các cảm biến sẽ được làm mát đến nhiệt độ chỉ trên độ không tuyệt đối để giảm thiểu nhiễu điện liên quan đến nhiệt và được che chắn khỏi các tia vũ trụ và các nguồn phóng xạ khác. Trong một kịch bản, vô số các con lắc có độ nhạy cao, mỗi con lắc sẽ lệch đi một chút khi phản ứng với lực kéo của một hạt vật chất tối đi qua.

https://cdnapisec.kaltura.com/index.php/extwidget/preview/partner_id/684682/uiconf_id/31013851/entry_id/1_io53hicg/embed/dynamic

Các thiết bị tương tự (với kích thước lớn hơn nhiều) đã được sử dụng trong việc phát hiện sóng hấp dẫn đoạt giải Nobel gần đây, những gợn sóng trong cấu trúc không-thời gian được tiên đoán bởi lý thuyết hấp dẫn của Einstein. Những chiếc gương được treo cẩn thận, hoạt động giống như con lắc, chuyển động nhỏ hơn chiều dài của một nguyên tử khi phản ứng với sóng hấp dẫn đi qua.

Trong một chiến lược khác, các nhà nghiên cứu đề xuất sử dụng các quả cầu bị từ trường hút hoặc các hạt bị ánh sáng laze hút vào. Trong sơ đồ này, lực bay bị tắt khi thí nghiệm bắt đầu, để các quả cầu hoặc hạt rơi tự do. Lực hấp dẫn của một hạt vật chất tối đi qua sẽ làm xáo trộn một chút đường đi của các vật thể rơi tự do.

Taylor nói: “Chúng tôi đang sử dụng chuyển động của các vật thể làm tín hiệu của chúng tôi. “Điều này khác hẳn với mọi máy dò vật lý hạt ngoài kia.”

Các nhà nghiên cứu tính toán rằng cần có một loạt khoảng một tỷ cảm biến cơ học nhỏ phân bố trên một mét khối để phân biệt một hạt vật chất tối thực sự với một hạt thông thường hoặc các tín hiệu điện ngẫu nhiên giả hoặc “tiếng ồn” gây ra cảnh báo giả trong các cảm biến. Các hạt hạ nguyên tử thông thường như neutron (tương tác thông qua lực không hấp dẫn) sẽ ngừng chết trong một máy dò duy nhất. Ngược lại, các nhà khoa học mong đợi một hạt vật chất tối, bay vụt qua mảng giống như một tiểu hành tinh thu nhỏ, sẽ lắc lư theo trọng lực mọi máy dò trên đường đi của nó, hết hạt này đến máy khác.

Tiếng ồn sẽ khiến các máy dò riêng lẻ di chuyển ngẫu nhiên và độc lập thay vì tuần tự, như một hạt vật chất tối. Như một phần thưởng, chuyển động phối hợp của hàng tỷ máy dò sẽ tiết lộ hướng mà hạt vật chất tối hướng tới khi nó phóng qua mảng.

Để chế tạo nhiều cảm biến nhỏ như vậy, nhóm nghiên cứu gợi ý rằng các nhà nghiên cứu có thể muốn mượn các kỹ thuật mà ngành công nghiệp điện thoại thông minh và ô tô đã sử dụng để sản xuất số lượng lớn máy dò cơ học.

Nhờ độ nhạy của các máy dò riêng lẻ, các nhà nghiên cứu sử dụng công nghệ này không cần phải giam mình trong bóng tối. Một phiên bản quy mô nhỏ hơn của cùng một thí nghiệm có thể phát hiện ra lực yếu từ các sóng địa chấn ở xa cũng như lực truyền từ các hạt hạ nguyên tử thông thường, chẳng hạn như neutrino và các photon năng lượng thấp, đơn lẻ (hạt ánh sáng).

Thí nghiệm quy mô nhỏ hơn thậm chí có thể tìm kiếm các hạt vật chất tối – nếu chúng truyền một cú hích đủ lớn đến các máy dò thông qua một lực không hấp dẫn, như một số mô hình dự đoán.

Carney chia sẻ thêm: “Chúng tôi đang đặt mục tiêu đầy tham vọng là xây dựng một máy dò vật chất tối hấp dẫn, nhưng R&D cần thiết để đạt được điều đó sẽ mở ra cánh cửa cho nhiều phép đo phát hiện và đo lường khác.”

Các nhà nghiên cứu tại các tổ chức khác đã bắt đầu tiến hành các thí nghiệm sơ bộ bằng cách sử dụng bản thiết kế của nhóm NIST.


Nguồn truyện:

Tài liệu do Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.


Đa phương tiện liên quan :


Tham khảo Tạp chí :

  1. Daniel Carney, Sohitri Ghosh, Gordan Krnjaic, Jacob M. Taylor. Đề xuất phát hiện trực tiếp vật chất tối trong trọng trường . Ôn tập Vật lý D , 2020; 102 (7) DOI: 10.1103 / PhysRevD.102.072003

Bài viết liên quan

Bài viết mới