Hvorfor satser du på akser eller WIMP'er?
Hvis du finder mørkt stof, hvad er de næste trin?
Har vi brug for en helt ny "Dark Standard Model"?
Hvordan er det at søge efter noget, du måske aldrig finder?
Enectali Figueroa-Feliciano
Harry Nelson
Grå Rybka
Den 20. november fra kl. 12 til 12:30 p.m. PST (20:00 til 20:30 UTC), Enectali Figueroa-Feliciano, Harry Nelson og Gray Rybka vil besvare dine spørgsmål om den næste generation af mørke stofeksperimenter. Indsend dine spørgsmål før og under webcasten ved at indsætte [email protected] eller ved at bruge hashtaggen #KavliLive på eller Google+. I mellemtiden kan du nyde denne baggrundsmand om mørk stof - baseret på en rundbordssamtale med disse forskere - produceret af Kelen Tuttle og Kavli Foundation.
ENECTALI FIGUEROA-FELICIANO - er medlem af SuperCDMS-samarbejdet og lektor i fysik ved MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.
HARRY NELSON - er den videnskabelige leder for LUX-ZEPLIN-eksperimentet og er professor i fysik ved University of California, Santa Barbara.
GRÅ RYBKA - leder ADMX Gen 2-eksperimentet som en talsmand og er forskningsassistent i fysik ved University of Washington.
KAVLI-FUNDATIONEN: Tre næste generations mørke stofeksperimenter - Axion Dark Matter eXperiment Gen 2, LUX-ZEPLIN og Super Cryogenic Dark Matter Search på SNOLAB - fik et grønt lys til finansiering i juli 2014. Hver vil være mindst 10 gange mere følsom end nutidens mørke stofdetektorer. Vi ved, at mørk stof er fem gange mere udbredt end almindelig stof, og vi er i stand til at udlede, at klumper af mørkt stof hjælper med at holde sammen galakser. Så dette stof er en enorm del af det, der udgør vores univers og en vigtig del af, hvorfor vores univers ser ud, som det gør. Hvorfor har vi så ikke været i stand til at observere det direkte? Hvad holder os tilbage?
HARRY NELSON: En stor del af udfordringen er, at mørk stof ikke interagerer meget med os. Vi ved, at mørkt stof passerer gennem vores galakse hele tiden, men det forstyrrer ikke den type stof, vi er lavet af.
Men mere end det interagerer mørke stoffer heller ikke meget med sig selv. Det stof, vi ser omkring os hver dag, interagerer med sig selv: Atomer danner molekyler, molekylerne danner snavs, og snavs danner planeter. Men det er ikke tilfældet med mørk stof. Mørkt stof er vidt spredt og danner ikke tætte objekter, som vi er vant til. Det kombineret med det faktum, at det ikke interagerer med vores type stof meget ofte, gør det svært at opdage.
ENECTALI FIGUEROA-FELICIANO: Hvad Harry siger er nøjagtigt rigtigt. Efter min mening bliver naturen coy. Der er noget, vi bare ikke forstår om den interne struktur i, hvordan universet fungerer. Når teoretikere skriver ned på alle måder, hvor mørk materie kan interagere med vores partikler, finder de for de enkleste modeller, at vi skulle have set det allerede. Så selvom vi ikke har fundet det endnu, er der en der, som vi prøver at afkode nu.
TKF: Faktisk bliver naturen så coy, at vi endnu ikke engang ved, hvordan mørke stofpartikler ser ud. Grå, dit eksperiment - ADMX - er på udkig efter en anden partikel end den, Tali og Harry ser efter. Hvorfor det?
GRÅ RYBKA: Som du siger, søger mit projekt - Axion Dark Matter eXperiment eller ADMX - efter en teoretisk type mørk stofpartikel kaldet aksion, som er ekstremt let med hverken elektrisk ladning eller spin. Harry og Tali leder efter en anden type mørk stof kaldet WIMP, efter svag interagerende massiv partikel, der beskriver et antal teoretiserede partikler, der interagerer med vores verden meget svagt og meget sjældent.
Både WIMP og aksionen er virkelig gode mørke sags kandidater. De er især gode, fordi de på samme tid ville forklare både mørk stof og andre fysiske mysterier. Jeg formoder, at jeg kan godt lide aksionen, fordi der ikke er mange eksperimenter på udkig efter den. Hvis jeg vil gamble og bruge en masse tid på at udføre et eksperiment for at se efter noget, vil jeg ikke lede efter noget, som alle andre leder efter.
Vi har opdateret ADMX-eksperimentet siden 2010 og har vist, at vi har de nødvendige værktøjer til at se aksioner, hvis de er derude. ADMX er et scanningseksperiment, hvor vi scanner de forskellige masser, denne aksion kunne have, én ad gangen. Hvor hurtigt vi scanner afhænger af, hvor kolde vi kan lave eksperimentet. Med Gen2 køber vi et meget, meget kraftfuldt køleskab, der kommer til næste måned. Når den ankommer, vil vi være i stand til at scanne meget, meget hurtigt, og vi føler, at vi har en meget bedre chance for at finde aksioner - hvis de er derude.
TKF: Og Harry, hvorfor satser du på WIMP?
NELSON: Selvom jeg satser på WIMP'er, kan jeg også godt lide aksioner. Jeg skrev endda nogle papirer om akser langt tilbage, når. Men i disse dage ser jeg, som Gray sagde, efter WIMP'er. Mit samarbejde opererer i øjeblikket Stor underjordisk Xenon, eller LUX, eksperiment i den berømte Black Hills i South Dakota, inde i en mine, der var udvæksten af gylden i 1876, der dannede byen Deadwood. Denne måned starter vi vores 12-måneders løb med LUX. Vi udvikler nu nøje vores planer om at opgradere vores detektor for at gøre den mere end 100 gange mere følsom for det nye LUX-ZEPLIN-projekt.
Men for at fortælle jer sandheden, har jeg faktisk en lille smule af den holdning, at alle disse muligheder er usandsynlige. Jeg siger ikke, at jagt på dem er værdiløs; det er slet ikke det. Det er bare det, at naturen ikke behøver at respektere, hvad fysikere ønsker. Vi ønsker bedre at forstå vores egen stærke interaktion, den mekanisme, der er ansvarlig for den stærke atomkraft, der holder atomkernen sammen. Axionen ville hjælpe med at gøre det.
WIMP er stor, fordi den er i overensstemmelse med Big Bangs fysik på en ligetil måde. En masse videnskab er baseret på hvad der hedder Occams barbermaskine: Vi tager de mest enkle antagelser og tester dem derefter meget godt og giver kun op enkelheden, hvis vi absolut har brug for det. Jeg har altid følt, at WIMP er en smule enklere end aksien. Begge er usandsynlige, men er stadig de bedste kandidater, vi kan tænke på. Det er sandsynligvis mere sandsynligt, at mørkt stof er noget anderledes end hverken WIMP eller aksien, men vi skal starte et sted, og WIMP og aksion er de bedste udgangspunkt, vi kan forestille os.
TKF: Hvis du synes, det er usandsynligt, at WIMP er derude, hvorfor ser du så efter den?
NELSON: WIMP og aksion har de absolut bedste teoretiske motiveringer. Og så er det dejligt, at både WIMP'er og aksioner har virkelig stærke eksperimenter, der følger dem.
FIGUEROA-FELICIANO: Som eksperimentelist kommer jeg til dette fra det synspunkt, at teoretikere er meget kloge og har fundet en utrolig række mulige scenarier for, hvad mørk stof kunne være. Og som Harry sagde, forsøger vi at bruge Occams barbermaskine at prøve at luke ud af, hvilke af disse ting der er mere sandsynlige end de andre. Men det er ikke en ufejlbarlig måde at gøre det på. Mørk stof følger muligvis ikke den mest enkle forklaring. Så vi må være lidt agnostiske over det.
På en måde er det som at lede efter guld. Harry har sin gryde, og han leder efter guld i en dyb dam, og vi ser i en lidt lavere dam, og Gray er lidt opstrøms og kigger efter sit eget sted. Vi ved ikke, hvem der skal finde guld, fordi vi ikke ved, hvor det er.
Når det er sagt, synes jeg det er virkelig vigtigt at understrege, hvor komplementære disse tre søgninger er. Sammen ser vi på mange af de steder, hvor mørk stof kunne være. Men vi dækker bestemt ikke alle mulighederne. Som Harry siger, kan det være, at mørk stof er der, men vores tre eksperimenter vil aldrig se noget, fordi vi ser på det forkerte sted - det kan være i en anden gaffel af floden, hvor vi ikke engang er begyndt at kigge endnu .
Generelt menes mørk energi at bidrage med 73 procent af al massen og energien i universet. Yderligere 23 procent er mørk stof, som kun efterlader 4 procent af universet sammensat af regelmæssig stof, såsom stjerner, planeter og mennesker. Cirkeldiagram via NASA
Rybka: Jeg ser det lidt mere optimistisk på. Selvom Tali sagde, at alle eksperimenterne kunne se på det forkerte sted, er det også muligt, at de alle finder mørk stof. Der er intet, der kræver, at mørkt stof fremstilles af kun en type partikel bortset fra at vi håber, at det er så enkelt. Mørket stof kan være en tredjedel aksioner, en tredjedel tunge WIMP'er og en tredjedel lette WIMP'er. Det ville være perfekt tilladt fra alt, hvad vi har set.
FIGUEROA-FELICIANO: Jeg er enig. Jeg burde have sagt, at den guldklump, vi leder efter, er meget værdifuld. Så selvom søgningen er hård, er det værd, fordi vi leder efter en meget værdifuld ting: At forstå, hvad mørk materie er lavet af og opdage en ny del af vores univers. Der er en meget smuk præmie i slutningen af denne søgning, så det er absolut værd.
TKF: Tali, fortæl os lidt om dammen, hvor du panorerer efter den meget værdifulde klump af mørk stof.
FIGUEROA-FELICIANO: Mit eksperiment kører i øjeblikket i Soudan, Minnesota, inde i en mine, der er lidt over en halv kilometer (2 341 fod) under jorden. Dette eksperiment, kaldet SuperCDMS Soudan, var designet til at demonstrere en ny teknologi, vi har udviklet, som giver os mulighed for at søge efter WIMP'er, der er på den lettere side. Det viser sig, at visse klasser af WIMP'er, dem, der er lettere end Harry søger efter, deponerer meget lidt energi i detektorer. Vores detektorer er i stand til at skelne meget små mængder energi, der er deponeret i detektoren, fra alle de mange forskellige signaler, vi får fra radioaktive materialer, kosmiske stråler og alle mulige andre ting, der strømmer gennem vores detektorer. At være i stand til at foretage denne adskillelse er meget vigtig, både for SuperCDMS og for LZ.
Det næste trin til vores eksperiment kaldes SuperCDMS SNOLAB. SNOLAB er en nikkelmine i Canada, der er 2 km (6,531 fod) dyb.Vi er blevet godkendt til at bygge et helt nyt eksperiment dernede for at søge efter disse WIMP'er med lav masse. Hvis LUX eller LZ ser en WIMP med højere masse, kan vi også kontrollere denne måling. Lige nu er vi i færd med at færdiggøre designet og tage de første trin med at sammensætte dette splinternye SNOLAB-eksperiment. Vi forventer at have en første fase af detektorer i de næste par år.
TKF: Hvis en af dine eksperimenter finder bevis på mørk stof efter den festlige champagne, hvad ville da være de næste skridt?
Rybka: Flaske det, og sælg det, antager jeg! Men virkelig, jeg ville sige, at alle eksperimenterne skulle være i gang, selv efter en sådan opdagelse, indtil nogen endeligt kunne bevise, at den opdagede mørke stof udgør 100 procent af al den mørke stof i universet.
NELSON: Jeg er enig med det. Vi bliver også nødt til at grave dig ind og virkelig prøve at forstå, hvad vi opdagede. Der er et gammelt ordsprog i partikelfysik, at du ikke har opdaget en partikel, før du kender dens masse, spin og paritet, en egenskab, der er vigtig i den kvantemekaniske beskrivelse af et fysisk system. For virkelig at opdage mørkt stof, bliver vi nødt til at bevise, at det er, hvad vi tror, det er, og vi bliver nødt til at lære dets egenskaber. Når du har opdaget en partikel, bliver alle meget smartere over, hvad de skal gøre med den. Dette har foregået med Higgs boson for nylig. Folk hos Large Hadron Collider bliver klogere, for nu, når de har set partiklen, kan de fokusere på at forhøre den.
Når vi begynder at gøre det med mørk stof, vil vi se noget nyt. Det er sådan, hvordan videnskabelig fremgang fungerer. Lige nu kan vi ikke se gennem muren, fordi vi ikke har fundet ud af, hvad muren er lavet af. Men når vi først har forstået, hvad der er i væggen - min analogi til mørk stof - så ser vi igennem det og sørger for den næste ting.
FIGUEROA-FELICIANO: Lad mig tilføje mine to cent til det. Der er tre forskellige ting, som jeg tror ville ske, hvis en af vores eksperimenter så overbevisende bevis for mørk stof. Først vil vi gerne bekræfte opdagelsen ved hjælp af en anden teknik. Med andre ord ønsker vi så meget bekræftelse, som vi kan, før vi erklærer sejr.
Derefter vil folk finde frem til 100 forskellige måder at teste partikelens egenskaber, som Harry beskrev. Derefter vil en fase af ”mørk materie-astronomi” hjælpe os med at lære partiklens rolle i universet. Vi vil måle, hvor hurtigt det går, hvor meget der er, hvordan det opfører sig i en galakse.
TKF: Der er helt klart meget, der skal gøres, når vi kun finder en type partikler af mørkt stof. Men det lyder som om der kunne være en helt ny zoologisk have med mørke partikler. Tror du, at vi får brug for en "Dark Standard Model"?
NELSON: Jeg har ofte tænkt følgende: Her er vi, i vores uheldige 15 procent af sagen i universet, og spekulerer på, hvad mørk stof er. Hvis mørkt stof er så komplekst som vi er, ved det måske ikke engang, at vi findes. Vi er bare dette mindretal 15 procent, men på en eller anden måde synes vi, vi er så vigtige. Men eksperimenter, der udføres af mørkt stof, ved måske ikke engang, at vi eksisterer, fordi vi er en meget mindre forstyrrelse af mørk materies verden end mørk stof er på os.
Den mørke sektorsektor kan være så kompleks - eller måske endda fem gange så kompleks - som vores. Ligesom vi hovedsageligt er lavet af atomer, der består af elektroner og kerner, er måske også mørkt stof. I nogle af søgningerne efter WIMP'er skal du være forsigtig med det. Det kan være, at den måde, disse ting interagerer med vores sag, er snarere anderledes end den enklest mulige sag, vi leder efter.
FIGUEROA-FELICIANO: Harry, hvis du skulle anvende Occams barbermaskine på vores univers, hvordan går det med standardmodellen?
NELSON: Det gør ikke meget godt. Standardmodellen er meget mere kompleks, end den skal være. Så måske det samme er tilfældet for mørk stof. Der er måske endda mørke fotoner derude. Ideen er interessant. Med ADMX er Gray på udkig efter en partikel, der har at gøre med den stærke interaktion. Tali og jeg leder efter en partikel, der har at gøre med det svage samspil. Og søgninger efter den mørke foton ser efter et forhold mellem den elektromagnetiske interaktion og sektoren med mørke stoffer.
Samfundet vil virkelig finde ud af mørk stof. Der er en følelse af uopsættelighed omkring det, og vi ser efter det på alle måder, vi kan.
Rybka: Det er sandt. Med ADMX er vi mest fokuseret på aksien, men vi ser også efter mørke fotoner i de lavere masser. Der er kandidater med mørk materie, som folk virkelig er virkelig begejstrede for, som aksioner og WIMP'er. Disse får eksperimenter bygget, der er dedikeret til dem. Og så er der de ideer, der måske er gode, men som ikke har så meget motivation, som mørke fotoner. Folk leder stadig efter måder at teste disse ideer på, ofte med eksisterende eksperimenter.
TKF: Det er klart, at der er en lang række steder, hvor vi kunne finde mørkt stof. Vi panorerer efter dette guld, hvor vi kan, men vi er ikke helt sikre på, at det findes overalt, hvor vi leder efter. Hvordan er det at søge efter noget, som du måske aldrig finder?
FIGUEROA-FELICIANO: Jeg tror, at de mennesker, der arbejder på mørk materie, har en bestemt personlighed, lidt af en gambler-streak. Vi går efter de høje indsatser og lægger alle chipsene i. Der er andre fysiske områder, hvor vi ville være sikre på at se noget. I stedet vælger vi at kigge efter noget, som vi muligvis ikke ser. Hvis vi ser det, er det dog en enorm aftale.
Vi er ekstremt heldige, at vi faktisk får betalt for at prøve at finde ud af, hvad universet er lavet af. Det er en utrolig vidunderlig ting.
NELSON: Nogle gange tænker jeg på, hvordan det må have været at være Columbus og hans besætning, eller de opdagelsesrejsende, der først gik til jordens poler. De var ude i midten af havet eller i isen, ikke helt sikre på, hvad der ville komme næste. Men de havde sat mål: Indien og Kina for Columbus, polerne for disse opdagelsesrejsende. Vi er opdagelsesrejsende, vi sætter også mål for os selv for at søge visse foruddefinerede følsomheder over for mørk stof. Vi innoverer med moderne teknologi for at nå vores specifikke mål. Og vi kan muligvis gøre det til den nye verden eller Nordpolen, og det er vidunderligt spændende.
Udledt distribution af mørkt stof overlagret i lilla over et Hubble-rumteleskopbillede af galakse-klyngen Abell 1689. Billede via NASA, ESA, E. Jullo (JPL / LAM), P. Natarajan (Yale) & J-P. Kneib (LAM)
Nederste linje: Kavli Foundation inviterer dig til en levende spørgsmål og spørgsmål med forskere i forkant af søgen efter mørkt stof den 20. november 2014 og tilbyder denne baggrundsmand til næste generation af mørke stofeksperimenter, der fik et grønt lys til finansiering i juli sidste år .