Bí mật để phát hiện trực tiếp vật chất tối có thể được thổi bay trong gió.
Chất bí ẩn tiếp tục lẩn tránh các nhà khoa học mặc dù nó lớn hơn vật chất nhìn thấy trong vũ trụ khoảng 8 đến 1. Tất cả các nỗ lực trong phòng thí nghiệm nhằm phát hiện trực tiếp vật chất tối – chỉ được nhìn thấy gián tiếp bởi tác động của lực hấp dẫn của nó lên chuyển động của các ngôi sao và thiên hà – đã biến mất chưa được thực hiện.
Những nỗ lực đó đã dựa trên hy vọng rằng vật chất tối ít nhất có một số tương tác khác với vật chất thông thường ngoài lực hấp dẫn (SN: 25/10/16). Nhưng một thí nghiệm được đề xuất mang tên Windchime, mặc dù nhiều thập kỷ sau khi được thực hiện, sẽ thử một điều mới: Nó sẽ tìm kiếm vật chất tối bằng cách sử dụng lực duy nhất mà nó đảm bảo cảm nhận được – lực hấp dẫn.
“Ý tưởng cốt lõi cực kỳ đơn giản”, nhà vật lý lý thuyết Daniel Carney, người đã mô tả sơ đồ này vào tháng 5 tại cuộc họp của Ban Vật lý Quang học và Phân tử của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ ở Orlando, Fla. một cơn gió nhẹ, máy dò Windchime sẽ cố gắng cảm nhận một vật chất tối “gió”Thổi qua Trái đất khi hệ mặt trời quay xung quanh thiên hà.
Nếu Dải Ngân hà chủ yếu là một đám mây vật chất tối, như các phép đo thiên văn cho thấy, thì chúng ta nên đi thuyền qua nó với tốc độ khoảng 200 km / giây. Điều này tạo ra gió vật chất tối, vì lý do tương tự như bạn cảm thấy gió khi thò tay ra ngoài cửa sổ của một chiếc ô tô đang chuyển động.
Máy dò Windchime dựa trên quan điểm cho rằng một bộ sưu tập các con lắc sẽ lắc lư trong gió. Trong trường hợp chuông gió ở sân sau, nó có thể là những thanh kim loại hoặc những chiếc chuông lủng lẳng leng keng trong không khí chuyển động. Đối với máy dò vật chất tối, các mặt dây chuyền là các dãy máy dò siêu nhạy có phút, sẽ bị chen lấn bởi lực hấp dẫn mà chúng cảm nhận được khi đi qua các mảnh vật chất tối. Thay vì các phân tử không khí bật ra khỏi chuông kim loại, lực hấp dẫn của các hạt tạo nên gió vật chất tối sẽ gây ra những gợn sóng đặc biệt khi nó thổi qua hàng tỷ cảm biến trong một hộp có kích thước khoảng một mét mỗi cạnh.
Mặc dù có vẻ hợp lý khi tìm kiếm vật chất tối bằng lực hấp dẫn, nhưng chưa có ai thử nó trong gần 40 năm mà các nhà khoa học đã theo đuổi vật chất tối trong phòng thí nghiệm. Đó là bởi vì lực hấp dẫn, tương đối, là một lực rất yếu và khó bị cô lập trong các thí nghiệm.
“Bạn đang tìm kiếm vật chất tối để [cause] Carney, thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley ở California, cho biết. “Và bạn chỉ cần hỏi. . . tôi có thể nhìn thấy tín hiệu hấp dẫn này không? Khi bạn lần đầu tiên thực hiện ước tính, câu trả lời là không. Nó thực sự sẽ vô cùng khó khăn. ”
Điều đó không ngăn cản Carney và một nhóm nhỏ đồng nghiệp vẫn khám phá ý tưởng vào năm 2020. Ông nói: “Ba mươi năm trước, đề xuất này thật là điên rồ. “Nó vẫn là một loại hạt, nhưng nó giống như sự điên rồ ở ranh giới.”
Sự hợp tác của Dự án Windchime kể từ đó đã phát triển bao gồm 20 nhà vật lý. Họ có một nguyên mẫu Windchime được xây dựng bằng các máy đo gia tốc thương mại và đang sử dụng nó để phát triển phần mềm và phân tích sẽ dẫn đến phiên bản cuối cùng của máy dò, nhưng nó khác xa so với thiết kế cuối cùng. Carney ước tính rằng có thể mất vài thập kỷ nữa để phát triển các cảm biến đủ tốt để đo lực hấp dẫn ngay cả từ vật chất tối nặng.
Carney căn cứ vào dòng thời gian để phát triển Giao thoa kế Laser Giao thoa kế sóng hấp dẫnhoặc LIGO, được thiết kế để tìm kiếm các gợn sóng hấp dẫn đến từ các lỗ đen va chạm (SN: 2/11/16). Ông nói, khi LIGO lần đầu tiên được hình thành, rõ ràng là công nghệ này sẽ cần phải được cải tiến hàng trăm triệu lần. Nhiều thập kỷ phát triển đã dẫn đến một đài quan sát có thể quan sát bầu trời bằng sóng hấp dẫn. Với Windchime, “chúng ta đang ở trên cùng một con thuyền,” anh ấy nói.
Ngay cả ở dạng cuối cùng, Windchime sẽ chỉ nhạy cảm với các bit vật chất tối có khối lượng gần bằng một hạt bụi mịn. Đó là rất lớn trên quang phổ của các hạt đã biết – hơn một triệu nghìn tỷ lần khối lượng của một proton.
“Có một loạt các ứng cử viên vật chất tối rất thú vị tại [that scale] chắc chắn đáng để tìm kiếm… bao gồm cả các lỗ đen nguyên thủy từ vũ trụ sơ khai, ”Katherine Freese, nhà vật lý tại Đại học Michigan ở Ann Arbor, người không tham gia hợp tác Windchime, cho biết. Bà lưu ý rằng các lỗ đen từ từ bay hơi, rò rỉ khối lượng trở lại không gian, điều này có thể để lại nhiều di tích hình thành ngay sau khi Vụ nổ lớn với khối lượng lớn mà Windchime có thể phát hiện.
Nhưng nếu nó không bao giờ phát hiện ra bất cứ điều gì, thí nghiệm vẫn nổi bật so với các kế hoạch phát hiện vật chất tối khác, Dan Hooper, một nhà vật lý tại Fermilab ở Batavia, Ill., Cũng không liên kết với dự án, cho biết. Đó là bởi vì đây sẽ là thí nghiệm đầu tiên có thể loại trừ hoàn toàn một số loại vật chất tối.
Ngay cả khi thử nghiệm không có kết quả gì, Hooper nói, “điều tuyệt vời về [Windchime] … Đó là, không phụ thuộc vào bất cứ điều gì khác mà bạn biết về các hạt vật chất tối, chúng không nằm trong phạm vi khối lượng này. ” Với thử nghiệm hiện cóviệc không phát hiện ra bất cứ thứ gì thay vào đó có thể là do những phỏng đoán sai lầm về các lực ảnh hưởng đến vật chất tối (SN: 7/7/22).
Windchime sẽ là thí nghiệm duy nhất chưa được tưởng tượng mà việc không nhìn thấy gì chắc chắn sẽ cho các nhà nghiên cứu biết vật chất tối không phải là vật chất gì. Tuy nhiên, với một chút may mắn, nó có thể phát hiện ra một luồng gió gồm các lỗ đen nhỏ, hoặc thậm chí là các mảnh vật chất tối kỳ lạ hơn, thổi qua khi chúng ta quan tâm xung quanh Dải Ngân hà.
