Pimeä aine on edelleen yksi tieteen suurimmista mysteereistä. Huolimatta vuosikymmeniä kestäneestä tähtitieteellisestä todisteesta sen olemassaolosta, kukaan ei ole vielä löytänyt merkkejä siitä lähempänä kotiaan. Sen eteen on tehty kymmeniä ponnisteluja, ja yksi näkyvimmistä saavutti juuri virstanpylvään – kahdeksan vuoden tietojen julkaiseminen ja analysointi. The IceCube Neutrino Observatorio julkaisee pian tuloksia noilta kahdeksalta vuodelta, mutta nyt sukeltakaamme siihen, mitä he etsivät.
Teorioita siitä, mitä pimeä aine todellisuudessa on, on runsaasti, ja monet niistä keskittyvät ajatukseen pimeästä aineesta eräänlaisena hiukkastyyppinä. Näkyvin niistä on Heikosti vuorovaikutteinen massiivinen hiukkanen (WIMP) . WIMP:n taustalla oleva fysiikka on yksi IceCube Experimentin tärkeimmistä tekijöistä.
Video, joka kuvaa IceCuben toimintaa.
Kiitos – IceCube Neutrino Observatoryn YouTube-kanava
Neutriinoilmaisin saattaa tuntua oudolta tavalta etsiä WIMP:itä, mutta sen taustalla oleva fysiikka ymmärretään hyvin. Kun WIMPS kulkee suurten 'standardimalli'-aineen (eli 'normaalien' hiukkasten) läpi, WIMPS voi menettää energiaa ja lopulta sitoutua painovoimaisesti kehoon, jonka läpi ne kulkevat. Näin olisi planeettojen tai Auringon tapauksessa. Joten Maan keskustassa voisi olla suuri, näkymätön massa heikosti vuorovaikutuksessa olevia hiukkasia.
Tällaista WIMPS-ryhmittymää olisi mahdotonta havaita suoraan. Tiedemiehet pystyivät kuitenkin näkemään ilmaisumerkkejä mittaamalla välityspalvelimen - neutriinot . Neutriinot, jotka ovat tunnetusti vaikeita havaita, ovat peräisin joistakin teorioista, joissa WIMP:t tuhoavat itsensä vuorovaikutuksessa standardihiukkasen kanssa. Koska niitä on niin vaikea paikantaa, neutriinot, jotka syntyisivät tästä prosessista missä tahansa WIMP-massassa Maan keskustassa, pystyisivät melkein varmasti pääsemään Maan massan läpi avaruuteen.
Isaac Arthur -video, jossa käsitellään pimeän aineen (tunnettuja) ominaisuuksia.
Kiitos – Isaac Arthur YouTube-kanava
Mutta matkan varrella neutriinoilmaisin, kuten IceCube, saattaa poimia ne. Perustuu maantieteelliseen etelänapa , IceCube koostuu 86 sarjasta digitaalisia optisia moduuleja, jotka sisältävät 5160 yksittäistä optista anturia, jotka havaitsevat tietyntyyppisen valon Tšerenkovin säteily kun mikä tahansa neutrino on vuorovaikutuksessa toisen hiukkasen kanssa. Trianguloimalla valopulssin kirkkaus ja pitkäikäisyys, tutkijat voivat sitten jäljittää neutrinon kulkeman nopeuden ja suunnan.
Laitteiston ja sen kiinnostavan osan vuoksi kohinanvaimennus on IceCuben keskeinen osa. Osa tästä strategiasta toteutetaan eristämisen kautta – tunnistusryhmä ei vain sijaitse yhdessä maapallon eristyneimmistä kohdista, vaan se on myös haudattu 1 450 metrin jään alle ja ulottuu lähes pystysuoran kilometrin syvyyteen.
Katson alaspäin yhdestä IceCuben ilmaisimen reiästä.
Luotto: IceCube Collaboration/NSF
Toinen osa strategiasta perustuu simulaatioihin, erityisesti taustamelun arvioimiseen ja eliminointiin. IceCube-tutkimusryhmä, joka koostuu tutkijoista kaikkialta maailmasta, käyttää taustamelun simulaatioita yrittääkseen eliminoida vääriä havaintoja. Lisäksi ne pystyvät eliminoimaan osan neutriinojen lähteistä, jotka eivät liity WIMP:iin, esimerkiksi silloin, kun järjestelmä havaitsee neutriinon, joka kulkee kohti Maan ydintä eikä siitä poispäin. Todennäköisimmin tämäntyyppiset neutriinot johtuvat 'ilmakehän neutriinoista', jotka muodostuvat, kun kosmiset säteet osuvat Maan ilmakehään.
Kaikki tämä pyrkimys liittyy yhteen suhteellisen yksinkertaiseen tehtävään – yrittää selvittää, mitä WIMP:t tarkalleen ottaen ovat. Hiukkasfysiikan kielellä tämä tarkoittaa yrittämistä asettaa rajoituksia niiden 'massalle'. Kuten monet hiukkasfysiikan asiat, se mitataan hieman eri tavalla kuin yksinkertaisesti asettamalla jotain asteikolle. 'Elektronivolteissa' mitattuna tutkijat tarkastelivat potentiaalisia massoja välillä 10GeV (gigaelektronivoltti) - 10 TeV (teraelektronivoltti). Nämä vaihteluvälit sisältävät massat, jotka ovat suuruusluokkaa 'raskaampia' kuin muut hyvin tunnetut subatomiset hiukkaset, kuten Higgsin bosoni (125 GeV) tai elektroni (0,511 MeV).
Taiteilijan piirros IceCube-observatorion järjestelyistä.
Luotto – IceCube Collaboration / NSF
Toinen WIMP:ien ominaisuus, jota tutkimus yritti kaventaa, on 'tuhoamisnopeus' eli kuinka usein WIMP:t itse asiassa tuhoavat itsensä ja luovat neutriinon, jonka IceCube voi sitten havaita. Kehittyneen tilastollisen analyysin avulla tutkijat keksivät tilastollisen todennäköisyyden myös tuhoutumistodennäköisyyden eri alueille.
Kaikesta tähän mennessä tehdystä työstä huolimatta lopullisia tuloksia ei ole vielä täysin analysoitu. Joten mitä kaikki nämä tulokset voisivat tarkoittaa WIMP-haulle, on edelleen avoin kysymys. IceCube-tiimi odottaa tulosten 'julkaisevan pian'. Lisäksi heidän tällä hetkellä analysoimansa tiedot olivat vain vuosilta 2011–2018, joten tähän analyysiin on vielä sisällytettävä kolmen vuoden tietoja.
IceCube-tiimi poseeraa kuvassa käyttöönottotornin edessä IceCube Neutrino Detectorin valmistuttua joulukuussa 2010. Kuvaaja: Chad Carpenter/NSF
Kaikki pimeän aineen tutkimiseen tehty työ voi olla sen arvoista. Loppujen lopuksi se on edelleen yksi hiukkasfysiikan suurimmista selittämättömistä ilmiöistä. Ja ainoa tapa, jolla tiedemiehet voivat ymmärtää sen täysin, on kerätä tietoja IceCuben kaltaisilla instrumenteilla vuosien ja vuosien ajan.
Lisätietoja:
arXiv - Etsi pimeää ainetta Maan keskustasta kahdeksan vuoden IceCube-tiedon avulla
Wisconsinin yliopisto - IceCube Neutrino Observatorio
UT - Maa pysäyttää satunnaisen neutrinon
UT - Neutrinotunnistus voisi auttaa maalaamaan täysin uuden kuvan maailmankaikkeudesta
Pääkuva:
Kuva etelänavan pinnalla olevasta rakennuksesta, jossa on IceCube Neutrino Observatory.
Luotto – IceCube Neutrino Observatory