นักวิทยาศาสตร์ได้สูญเสียรอบล่าสุดของเขาด้วยสสารมืด แต่พวกเขาไม่ได้ออกจากเกม
แม้จะมีหลักฐานมากมายว่ารูปแบบที่แปลกใหม่ของสสารที่แฝงตัวอยู่ในจักรวาลที่มองไม่เห็น แต่การค้นหาหลายทศวรรษก็ล้มเหลวในการตรวจจับอนุภาคเดี่ยวของสสารมืดอย่างแน่นอน ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์บางคนเดินไปตามถนนของเครื่องตรวจจับที่มีขนาดใหญ่ขึ้นซึ่งออกแบบมาเพื่อจับอนุภาค แต่คนอื่น ๆ ก็เริ่มที่จะพิจารณาภูมิทัศน์ที่กว้างขึ้นของความเป็นไปได้สำหรับสิ่งที่สสารมืดอาจเป็น
“ เราได้ดูว่าการคาดเดาที่ดีที่สุดของเราบอกให้เรามองหาตลอดหลายปีที่ผ่านมาและเราเริ่มสงสัยว่าเราอาจเดาผิดได้หรือไม่” Dan Hooper จาก Fermilab ใน Batavia, Ill กล่าวว่า
สสารมืดแทรกซึมเข้าไปในจักรวาล: วัสดุป้องกันไม่ให้กาแลคซีบินออกจากกันและทิ้งรอยประทับไว้ในแสงที่เก่าแก่ที่สุดในจักรวาลพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาลซึ่งมีอายุย้อนหลังไปเพียง 380,000 ปีหลังจากบิ๊กแบง หลักฐานทางอ้อมจากอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของ Dark Matter แสดงให้เห็นว่ามันประกอบไปด้วยมวลจำนวนมากในจักรวาล แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถตรึงสิ่งที่สสารมืดได้โดยไม่ตรวจจับโดยตรง
ในผลลัพธ์ใหม่ที่ตีพิมพ์ในเดือนสิงหาคมและกันยายนสามทีมของนักวิทยาศาสตร์ได้เปิดมือเปล่าโดยไม่พบคำใบ้ของสสารมืด การทดลองทั้งสามครั้งค้นหาสสารมืดที่หลากหลายโดยเฉพาะ - อนุภาคสมมุติฐานที่รู้จักกันในชื่อ WIMPS หรืออนุภาคขนาดใหญ่ที่มีปฏิสัมพันธ์กับมวลที่เป็นไปได้ที่เริ่มต้นได้หลายครั้งของโปรตอน Wimps แม้จะมีชื่อของพวกเขาเป็น Dark Matter Bigwigs - พวกเขาเป็นคำอธิบายที่ชื่นชอบมานานสำหรับมวลที่หายไปของจักรวาล WIMPS เป็นความคิดที่จะโต้ตอบกับสสารปกติผ่านแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอและแรงโน้มถ่วง
ส่วนหนึ่งของการอุทธรณ์ของ Wimps มาจากทฤษฎีที่โดดเด่น แต่ไม่ได้รับการตรวจสอบความสมมาตรซึ่งทำนายอนุภาคดังกล่าวอย่างอิสระ supersymmetry วางตัวว่าอนุภาคระดับประถมศึกษาแต่ละอันมีคู่หูที่หนักกว่า อนุภาคพันธมิตรที่เบาที่สุดอาจเป็นสสารมืด แต่หลักฐานสำหรับ supersymmetry ไม่ได้เกิดขึ้นในการชนกันของอนุภาคที่ Hadron Collider ขนาดใหญ่ในเจนีวาดังนั้นสถานะที่ได้รับความนิยมของ Supersymmetry คือการกัดเซาะ (SN: 10/1/16, p. 12- อาร์กิวเมนต์ Supersymmetry สำหรับ WIMPs จึงกลายเป็นตัวสั่นโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจาก WIMPs ไม่ได้ปรากฏในเครื่องตรวจจับ
นักวิทยาศาสตร์มักจะค้นหา WIMPs โดยมองหาการโต้ตอบกับสสารปกติภายในเครื่องตรวจจับ การทดลองในปัจจุบันหลายครั้งใช้ถังซีนอนเหลวซึ่งเป็นองค์ประกอบที่พบในปริมาณการติดตามในชั้นบรรยากาศของโลกโดยหวังว่าจะตรวจจับแสงและประจุไฟฟ้าไฟฟ้าจำนวนเล็กน้อยที่จะถูกปล่อยออกมาเมื่อ WIMP โจมตีนิวเคลียสซีนอน
การทดลองซีนอนสามครั้งคือซีนอนใต้ดินขนาดใหญ่หรือ Lux, Experiment ตั้งอยู่ในศูนย์วิจัยใต้ดิน Sanford ใน Lead, SD; ที่การทดลอง Pandax-IIตั้งอยู่ในห้องปฏิบัติการใต้ดิน Jinping ของจีนในเสฉวน; และการทดลอง xenon100ตั้งอยู่ในห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Gran Sasso ในอิตาลี ทีมนักวิทยาศาสตร์ในสามสถานที่แต่ละแห่งรายงานว่าไม่มีสัญญาณของอนุภาคสสารมืด การทดลองมีความไวต่ออนุภาคที่มีมวลประมาณ 40 หรือ 50 เท่าของโปรตอน นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถแยกแยะ wimps ของมวลเหล่านี้ได้อย่างสมบูรณ์ แต่การโต้ตอบจะต้องหายากมาก
เรื่องราวดำเนินต่อไปหลังจากภาพ
ในการค้นหาครั้งแรกผู้เสนอของ WIMPs คาดว่าอนุภาคจะหาได้ง่าย “ มันคิดว่าเป็นเหมือน 'โอเคเราจะใช้เครื่องตรวจจับเป็นเวลาห้านาทีค้นพบสสารมืดและเราทุกคนทำเสร็จแล้ว'” นักฟิสิกส์ Matthew Szydagis ของมหาวิทยาลัยที่ Albany ในนิวยอร์กสมาชิกของ Lux กล่าว นั่นกลายเป็นงานหนักมานานหลายทศวรรษ ในขณะที่ WIMPS ล้มเหลวในการเปิดขึ้นนักวิทยาศาสตร์บางคนเริ่มที่จะติดใจน้อยลงกับอนุภาคและกำลังพิจารณาความเป็นไปได้อื่น ๆ อย่างใกล้ชิดยิ่งขึ้น
ผู้เข้าแข่งขันสสารมืดทางเลือกหนึ่งในตอนนี้ดึงดูดความสนใจมากขึ้นคือ Axion อนุภาคนี้ถูกเสนอเดิมเมื่อหลายสิบปีก่อนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการแก้ปัญหาฟิสิกส์ของอนุภาคที่รู้จักกันในชื่อปัญหา CP ที่แข็งแกร่ง - คำถามที่ว่าทำไมแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งซึ่งถืออนุภาคเข้าด้วยกันภายในนิวเคลียส หากสสารมืดประกอบด้วยแกนดังนั้นอนุภาคจึงสามารถแก้ปัญหาสองข้อในครั้งเดียว
Axions ทอดเล็ก ๆ เมื่อสสารมืดไป - พวกเขาอาจมีขนาดเล็กเท่าหนึ่งล้านของมวลของ Wimp อนุภาคมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างอ่อนแรงจนยากต่อการตรวจจับ หาก Axions เป็นสสารมืด“ คุณกำลังนั่งอยู่ในทะเลที่มีขนาดใหญ่และหนาแน่นและคุณไม่ได้สังเกตเห็นพวกเขา” นักฟิสิกส์ Leslie Rosenberg จากมหาวิทยาลัยวอชิงตันในซีแอตเทิลหัวหน้าของการทดลองสสารมืดของ Axion กล่าว หลังจากการอัพเกรดล่าสุดเป็นการทดลองนักวิทยาศาสตร์ ADMX กำลังค้นหาแกนสสารมืดโดยใช้สนามแม่เหล็กและอุปกรณ์พิเศษเพื่อเกลี้ยกล่อมอนุภาคเพื่อแปลงเป็นโฟตอนซึ่งสามารถตรวจพบได้
แม้ว่า WIMPS และ Axions ยังคงเป็นนักวิ่งด้านหน้า แต่นักวิทยาศาสตร์ก็เริ่มที่จะก้าวข้ามความเป็นไปได้ทั้งสองนี้ ในระหว่างแกนขนนกและ wimps hulking เป็นจำนวนมากของมวลที่ไม่ได้รับการสำรวจอย่างดี ทฤษฎีที่ชื่นชอบของนักวิทยาศาสตร์ไม่ได้ทำนายอนุภาคสสารมืดที่มีมวลกลางเช่นนี้นักฟิสิกส์ทฤษฎี Kathryn Zurek จาก Lawrence Berkeley National Laboratory ในแคลิฟอร์เนียกล่าว แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าไม่พบสสารมืด Zurek สนับสนุนการค้นหาที่หลากหลายเกี่ยวกับมวลชนที่หลากหลายแทนที่จะมุ่งเน้นไปที่ทฤษฎีหนึ่งโดยเฉพาะ “ Dark Matter Direct Detection ไม่ใช่ขนาดเดียวที่เหมาะกับทุกคน” เธอกล่าว
การหดตัวของนิวเคลียร์
การทดลองของซีนอนมืดทำงานโดยดูการโต้ตอบของสสารมืดที่ทำให้นิวเคลียสซีนอนหดตัว การโต้ตอบดังกล่าวในทางทฤษฎีจะปล่อยโฟตอน (เส้นสีส้ม) และอิเล็กตรอน (เส้นสีแดง) ซึ่งสร้างแสงสองครั้งติดต่อกันซึ่งสามารถสังเกตได้โดยการตรวจจับแสงแสง (วงกลม) ที่ด้านบนและด้านล่างของเครื่องตรวจจับดังที่เห็นในแผนผัง LZ
ในเอกสารสองฉบับที่ตีพิมพ์ในจดหมายทบทวนทางกายภาพในวันที่ 7 มกราคมและ 14 กันยายน Zurek และเพื่อนร่วมงานเสนอโดยใช้SuperConductors - วัสดุที่อนุญาตให้กระแสไฟฟ้าไหลโดยไม่มีความต้านทาน- และSuperfluids ซึ่งอนุญาตให้ของเหลวไหลโดยไม่มีแรงเสียดทานเพื่อตรวจจับอนุภาคสสารมืดแสง “ เราพยายามที่จะขยายเครื่องมือให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในการค้นหาสสารมืด” Zurek กล่าว ในทำนองเดียวกันนักวิทยาศาสตร์ที่มีการทดลอง Snolab Super Super Cryogenic Matter ที่กำลังจะเกิดขึ้นซึ่งจะตั้งอยู่ในห้องปฏิบัติการใต้ดินใน Sudbury ประเทศแคนาดาจะใช้เครื่องตรวจจับที่ทำจากเจอร์เมเนียมและซิลิคอนเพื่อค้นหาสสารมืดที่มีมวลน้อยกว่าการทดลองซีนอน
นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ยอมแพ้ในการทดลองซีนอน WIMP ในไม่ช้าการทดลองบางอย่างจะเพิ่มขึ้น - จากหลายร้อยกิโลกรัมของซีนอนเหลวเป็นตัน - เพื่อปรับปรุงโอกาสในการจับอนุภาคสสารมืดได้ทันที Xenon100 รุ่นต่อไปการทดลอง Xenon1T (ออกเสียงว่า“ Xenon One Ton”) เกือบจะพร้อมที่จะเริ่มรับข้อมูล การทดลองรุ่นต่อไปของ Lux หรือที่รู้จักกันในชื่อ Lux-Zeplin หรือ LZ มีกำหนดจะเริ่มในปี 2020 นักวิทยาศาสตร์ Pandax-II กำลังวางแผนภาคต่อ นักฟิสิกส์ยังคงมองโลกในแง่ดีว่าเครื่องตรวจจับเหล่านี้จะพบอนุภาคที่เข้าใจยาก “ บางทีเราอาจจะมีโอกาสได้เห็นสิ่งที่ไม่มีใครเห็น” Xiangdong Ji จาก Shanghai Jiao Tong University ผู้นำของ Pandax-II กล่าว “ นั่นคือสิ่งที่น่าตื่นเต้นมาก”
ในทะเลแห่งการไม่ทำงานของสสารมืดมีข้อยกเว้นที่จ้องมองหนึ่งข้อ เป็นเวลาหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์ที่มีการทดลอง Dama/Libra ที่ Gran Sasso ได้อ้างว่าเห็นสัญญาณของสสารมืดโดยใช้คริสตัลของโซเดียมไอโอไดด์ แต่การทดลองอื่น ๆ ไม่พบสัญญาณของสสารมืดของ Dama นักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่า Dama ถูก debunked “ ฉันไม่รู้ว่าอะไรสร้างสัญญาณแปลก ๆ ที่ Dama เห็น” ฮูเปอร์กล่าว “ ที่ถูกกล่าวว่าฉันไม่คิดว่ามันจะเป็นเรื่องมืด”
แต่การทดลองอื่น ๆ ไม่ได้ใช้เทคโนโลยีเดียวกับ Dama นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทฤษฎี Katherine Freese จากมหาวิทยาลัยมิชิแกนในแอนอาร์เบอร์กล่าว “ ไม่มีคำอธิบายทางเลือกที่ทุกคนสามารถนึกถึงได้นั่นคือเหตุผลว่าทำไมมันถึงน่าสนใจมาก” การทดลองสามครั้งที่กำลังจะมาถึงในไม่ช้าควรปิดประตูบนความลึกลับโดยค้นหาสสารมืดโดยใช้โซเดียมไอโอไดด์เช่นเดียวกับ Dama: การทดลอง Anais ในห้องปฏิบัติการใต้ดิน Canfranc ในสเปนการทดลอง Cosine-100 ที่ห้องปฏิบัติการใต้ดินของ Yangyang ในเกาหลีใต้
ความพยายามของนักวิทยาศาสตร์ยังคงจบลงด้วยการไร้ค่า สสารมืดอาจไม่สามารถตรวจพบได้โดยตรงเลย “ เป็นไปได้ว่าแรงโน้มถ่วงเป็นเลนส์เดียวที่เราสามารถดูสสารมืดได้” Szydagis กล่าว สสารมืดสามารถโต้ตอบผ่านแรงโน้มถ่วงเท่านั้นไม่ใช่ผ่านแรงอ่อนแอหรือแรงอื่น ๆ หรืออาจอาศัยอยู่ใน "ภาคที่ซ่อนอยู่" ของอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์กัน แต่ส่วนใหญ่หลีกเลี่ยงเรื่องปกติ
แม้ว่าจะไม่มีการตรวจพบอนุภาคในไม่ช้านักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ยังคงเชื่อมั่นว่ามีรูปแบบที่มองไม่เห็น ไม่มีทฤษฎีทางเลือกอื่นที่สามารถอธิบายการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ของนักวิทยาศาสตร์ทั้งหมด “ มนุษย์จะไม่ยอมแพ้เป็นเวลานานนานในการพยายามค้นหาสสารมืดเพราะมันเป็นปัญหาใหญ่สำหรับเรา” จีกล่าว
