Warum setzen Sie auf Axionen oder WIMPs?
Wenn Sie dunkle Materie finden, was sind die nächsten Schritte?
Brauchen wir ein ganz neues „Dark Standard Model“?
Wie ist es, nach etwas zu suchen, das Sie vielleicht nie finden?
Enectali Figueroa-Feliciano
Harry Nelson
Gray Rybka
Am 20. November ab 12 Uhr bis 12.30 Uhr PST (20:00 bis 20:30 UTC), Enectali Figueroa-Feliciano, Harry Nelson und Gray Rybka beantworten Ihre Fragen zur nächsten Generation von Experimenten mit dunkler Materie. Senden Sie Ihre Fragen vor und während des Webcasts an [email protected] oder mithilfe des Hashtags #KavliLive on oder Google+. Genießen Sie in der Zwischenzeit diesen Hintergrund zur Dunklen Materie - basierend auf einer Diskussionsrunde mit diesen Wissenschaftlern - erstellt von Kelen Tuttle und der Kavli Foundation.
ENECTALI FIGUEROA-FELICIANO - ist Mitglied der SuperCDMS-Kollaboration und außerordentlicher Professor für Physik am MIT Kavli Institut für Astrophysik und Weltraumforschung.
HARRY NELSON - ist wissenschaftlicher Leiter des LUX-ZEPLIN-Experiments und Professor für Physik an der University of California in Santa Barbara.
GRAUER RYBKA - leitet als Co-Sprecher das Experiment ADMX Gen 2 und ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Physik an der University of Washington.
DIE KAVLI-STIFTUNG: Drei Experimente zur Dunklen Materie der nächsten Generation - das Axion-Experiment zur Dunklen Materie Gen 2, LUX-ZEPLIN und die Super-Kryo-Suche zur Dunklen Materie bei SNOLAB - erhielten im Juli 2014 grünes Licht für die Finanzierung die heutigen Detektoren für dunkle Materie. Wir wissen, dass dunkle Materie fünfmal häufiger vorkommt als gewöhnliche Materie, und wir können daraus schließen, dass Klumpen dunkler Materie dazu beitragen, Galaxienhaufen zusammenzuhalten. Diese Substanz ist also ein großer Teil dessen, was unser Universum ausmacht, und ein wichtiger Teil dessen, warum unser Universum so aussieht, wie es aussieht. Warum konnten wir es dann nicht direkt beobachten? Was hält uns zurück?
HARRY NELSON: Ein großer Teil der Herausforderung besteht darin, dass die Dunkle Materie nicht sehr viel mit uns interagiert. Wir wissen, dass dunkle Materie die ganze Zeit durch unsere Galaxie wandert, aber es stört nicht die Art der Materie, aus der wir bestehen.
Darüber hinaus interagiert die Dunkle Materie auch nicht sehr viel mit sich selbst. Die Materie, die wir jeden Tag um uns herum sehen, interagiert mit sich selbst: Atome bilden Moleküle, die Moleküle bilden Schmutz und der Schmutz bildet Planeten. Bei dunkler Materie ist dies jedoch nicht der Fall. Dunkle Materie ist weit verbreitet und bildet keine dichten Objekte, wie wir es gewohnt sind. Dies und die Tatsache, dass es nicht sehr oft mit unserer Art von Materie interagiert, erschweren die Erkennung.
ENECTALI FIGUEROA-FELICIANO: Was Harry sagt, ist genau richtig. In meinen Augen ist die Natur schüchtern. Es gibt etwas, das wir über die interne Struktur der Funktionsweise des Universums nicht verstehen. Wenn Theoretiker aufschreiben, wie dunkle Materie mit unseren Partikeln interagiert, stellen sie für die einfachsten Modelle fest, dass wir sie bereits hätten sehen sollen. Auch wenn wir es noch nicht gefunden haben, gibt es doch eine, die wir gerade zu entschlüsseln versuchen.
TKF: Tatsächlich ist die Natur so schüchtern, dass wir noch nicht einmal wissen, wie Teilchen der dunklen Materie aussehen. Gray, Ihr Experiment - ADMX - sucht nach einem anderen Partikel als das, nach dem Tali und Harry suchen. Warum ist das so?
GREY RYBKA: Wie Sie sagen, mein Projekt - das Axion Dark Matter-Experiment oder ADMX - sucht nach einem theoretischen Typ von Teilchen der dunklen Materie, dem Axion, das extrem leicht ist und weder elektrische Ladung noch Spin aufweist. Harry und Tali suchen nach einer anderen Art von dunkler Materie, die WIMP genannt wird, für schwach wechselwirkende massive Partikel, die eine Reihe theoretisierter Partikel beschreiben, die sehr schwach und sehr selten mit unserer Welt interagieren.
Sowohl der WIMP als auch der Axion sind wirklich gute Kandidaten für Dunkle Materie. Sie sind besonders großartig, weil sie gleichzeitig die Dunkle Materie und andere physikalische Geheimnisse erklären. Ich schätze, ich mag das Axion, weil es nicht viele Experimente gibt, die danach suchen. Wenn ich zocken und viel Zeit damit verbringe, ein Experiment durchzuführen, um nach etwas zu suchen, möchte ich nicht nach etwas suchen, nach dem alle anderen suchen.
Wir aktualisieren das ADMX-Experiment seit 2010 und haben gezeigt, dass wir über die erforderlichen Tools verfügen, um Axionen zu erkennen, wenn sie dort draußen sind. ADMX ist ein Scan-Experiment, bei dem wir nacheinander die verschiedenen Massen scannen, die diese Axion haben könnte. Wie schnell wir scannen, hängt davon ab, wie kalt wir das Experiment machen können. Mit Gen2 kaufen wir einen sehr, sehr leistungsstarken Kühlschrank, der nächsten Monat verfügbar sein wird. Sobald es eintrifft, können wir sehr, sehr schnell scannen und haben das Gefühl, dass wir viel bessere Chancen haben, Axionen zu finden - wenn sie da draußen sind.
TKF: Und, Harry, warum setzt du auf WIMP?
NELSON: Obwohl ich auf WIMPs wette, mag ich auch Axionen. Ich habe sogar vor langer Zeit einige Artikel über Axionen geschrieben. Aber heutzutage suche ich, wie Gray sagte, nach WIMPs. Meine Zusammenarbeit betreibt derzeit das Experiment Large Underground Xenon (LUX) in den berühmten Black Hills von South Dakota in einer Mine, die das Ergebnis des Goldrausches von 1876 war, der die Stadt Deadwood bildete. In diesem Monat starten wir unseren 12-monatigen Lauf mit LUX. Darüber hinaus entwickeln wir unsere Pläne zur Aufrüstung unseres Detektors sorgfältig, um ihn für das neue LUX-ZEPLIN-Projekt mehr als 100-mal empfindlicher zu machen.
Aber um die Wahrheit zu sagen, ich habe tatsächlich ein bisschen die Einstellung, dass all diese Möglichkeiten unwahrscheinlich sind. Ich sage nicht, dass die Jagd nach ihnen wertlos ist. das ist es überhaupt nicht. Es ist nur so, dass die Natur nicht respektieren muss, was Physiker wollen. Wir möchten unsere starke Wechselwirkung, den Mechanismus, der für die starke Kernkraft verantwortlich ist, die den Atomkern zusammenhält, besser verstehen. Die Axion würde dabei helfen.
Das WIMP ist großartig, weil es auf einfache Weise mit der Physik des Urknalls übereinstimmt. Viel Wissenschaft basiert auf dem, was man nennt Ockhams Rasiermesser: Wir machen die einfachsten Annahmen und testen sie dann sehr gut und geben die Einfachheit nur auf, wenn wir es unbedingt brauchen. Ich hatte immer das Gefühl, dass der WIMP ein bisschen einfacher ist als der Axion. Beide sind unwahrscheinlich, aber immer noch die besten Kandidaten, die wir uns vorstellen können. Es ist wahrscheinlich wahrscheinlicher, dass dunkle Materie etwas anders ist als WIMP oder Axion, aber wir müssen irgendwo anfangen und WIMP und Axion sind die besten Ausgangspunkte, die wir uns vorstellen können.
TKF: Wenn Sie der Meinung sind, dass es unwahrscheinlich ist, dass WIMP verfügbar ist, warum suchen Sie danach?
NELSON: WIMP und Axion haben die absolut besten theoretischen Motivationen. Und so ist es großartig, dass sowohl WIMPs als auch Axionen wirklich starke Experimente hinter sich haben.
FIGUEROA-FELICIANO: Als Experimentator bin ich der Ansicht, dass Theoretiker sehr klug sind und eine unglaubliche Reihe möglicher Szenarien für die Dunkle Materie entwickelt haben. Und wie Harry sagte, versuchen wir es zu benutzen Ockhams Rasiermesser um herauszufinden, welche dieser Dinge wahrscheinlicher sind als die anderen. Dies ist jedoch kein unfehlbarer Weg. Dunkle Materie folgt möglicherweise nicht der einfachsten Erklärung. Also müssen wir ein bisschen agnostisch sein.
In gewisser Weise ist es so, als würde man nach Gold suchen. Harry hat seine Pfanne und er sucht nach Gold in einem tiefen Teich, und wir suchen in einem etwas flacheren Teich, und Gray ist ein wenig stromaufwärts und sucht an seiner eigenen Stelle. Wir wissen nicht, wer Gold finden wird, weil wir nicht wissen, wo es ist.
Ich denke jedoch, es ist wirklich wichtig zu betonen, wie komplementär diese drei Suchanfragen sind. Gemeinsam schauen wir uns viele Orte an, an denen dunkle Materie sein könnte. Wir decken jedoch sicherlich nicht alle Optionen ab. Wie Harry sagt, könnte es sein, dass dunkle Materie da ist, aber unsere drei Experimente werden nie etwas sehen, weil wir an der falschen Stelle suchen - es könnte an einer anderen Flussgabelung sein, wo wir noch nicht einmal angefangen haben zu suchen .
Insgesamt wird angenommen, dass die Dunkle Energie 73 Prozent der gesamten Masse und Energie im Universum ausmacht. Weitere 23 Prozent sind dunkle Materie, die nur 4 Prozent des Universums aus regulären Materien wie Sternen, Planeten und Menschen zusammensetzt. Kreisdiagramm über die NASA
RYBKA: Ich sehe das etwas optimistischer. Obwohl, wie Tali sagte, alle Experimente möglicherweise an einer völlig falschen Stelle durchgeführt wurden, ist es auch möglich, dass sie alle dunkle Materie finden. Es gibt nichts, wofür dunkle Materie nur aus einem Teilchentyp bestehen müsste, außer wir hoffen, dass es so einfach ist. Dunkle Materie kann zu einem Drittel aus Axionen, zu einem Drittel aus schweren WIMPs und zu einem Drittel aus leichten WIMPs bestehen. Das wäre nach allem, was wir gesehen haben, durchaus zulässig.
FIGUEROA-FELICIANO: Genau. Ich hätte sagen sollen, dass das Goldnugget, das wir suchen, sehr wertvoll ist. Auch wenn die Suche schwierig ist, lohnt es sich, nach einer sehr wertvollen Sache zu suchen: zu verstehen, woraus dunkle Materie besteht, und einen neuen Teil unseres Universums zu entdecken. Es gibt einen sehr schönen Preis am Ende dieser Suche, es lohnt sich also auf jeden Fall.
TKF: Tali, erzählen Sie uns etwas über den Teich, in dem Sie nach diesem wertvollen Stück dunkler Materie suchen.
FIGUEROA-FELICIANO: Mein Experiment läuft derzeit in Soudan, Minnesota, in einer Mine, die etwas mehr als einen halben Kilometer unter der Erde liegt. Dieses Experiment namens SuperCDMS Soudan wurde entwickelt, um eine neue Technologie zu demonstrieren, die wir entwickelt haben und die es uns ermöglicht, nach WIMPs zu suchen, die auf der Seite der leichteren Masse liegen. Es stellt sich heraus, dass bestimmte Klassen von WIMPs, die leichter sind als Harry sucht, sehr wenig Energie in Detektoren abgeben. Unsere Detektoren sind in der Lage, sehr kleine Energiemengen, die im Detektor gespeichert sind, von all den vielen verschiedenen Signalen zu unterscheiden, die wir von radioaktiven Materialien, kosmischen Strahlen und allen möglichen anderen Dingen erhalten, die durch unsere Detektoren strömen. In der Lage zu sein, diese Trennung vorzunehmen, ist sowohl für SuperCDMS als auch für LZ sehr wichtig.
Der nächste Schritt für unser Experiment heißt SuperCDMS SNOLAB. SNOLAB ist eine Nickelmine in Kanada, die 2 Kilometer tief ist.Es wurde uns genehmigt, dort unten ein brandneues Experiment zu erstellen, um nach diesen WIMPs mit geringer Masse zu suchen. Wenn LUX oder LZ eine höhere Masse an WIMP sehen, können wir diese Messung auch überprüfen. Derzeit sind wir dabei, das Design fertigzustellen und die ersten Schritte zur Zusammenstellung dieses brandneuen SNOLAB-Experiments zu unternehmen. Wir erwarten in den nächsten Jahren eine erste Phase von Detektoren.
TKF: Wenn eines Ihrer Experimente nach dem feierlichen Champagner Hinweise auf dunkle Materie findet, was wären die nächsten Schritte?
RYBKA: Füllen Sie es ab und verkaufen Sie es, denke ich! Aber ich würde wirklich sagen, dass alle Experimente auch nach einer solchen Entdeckung fortgesetzt werden müssen, bis jemand endgültig nachweisen kann, dass die entdeckte dunkle Materie 100 Prozent der gesamten dunklen Materie im Universum ausmacht.
NELSON: Dem würde ich zustimmen. Wir müssten uns auch vertiefen und wirklich versuchen, zu verstehen, was wir entdeckt haben. Es gibt ein altes Sprichwort in der Teilchenphysik, wonach Sie ein Teilchen erst entdeckt haben, wenn Sie dessen Masse, Spin und Parität kennen. Diese Eigenschaft ist wichtig für die quantenmechanische Beschreibung eines physikalischen Systems. Um dunkle Materie wirklich zu entdecken, müssen wir beweisen, dass es das ist, was wir denken, und wir müssen seine Eigenschaften lernen. Nachdem Sie ein Partikel entdeckt haben, kann jeder viel intelligenter damit umgehen. Dies ist in letzter Zeit mit dem Higgs-Boson geschehen. Die Leute am Large Hadron Collider werden immer schlauer, weil sie sich darauf konzentrieren können, das Teilchen abzufragen, nachdem sie es gesehen haben.
Wenn wir das mit dunkler Materie anfangen, werden wir etwas Neues sehen. So funktioniert wissenschaftlicher Fortschritt. Im Moment können wir nicht durch die Wand sehen, da wir nicht herausgefunden haben, woraus die Wand besteht. Aber sobald wir verstehen, was in der Wand ist - meine Analogie für dunkle Materie - werden wir es durchschauen und uns um die nächste Sache kümmern.
FIGUEROA-FELICIANO: Lassen Sie mich meine zwei Cent dazuzählen. Es gibt drei verschiedene Dinge, die meiner Meinung nach passieren würden, wenn eines unserer Experimente überzeugende Beweise für dunkle Materie liefern würde. Zunächst möchten wir die Entdeckung mit einer anderen Technik bestätigen. Mit anderen Worten, wir wollen so viel Bestätigung wie möglich, bevor wir den Sieg erklären.
Dann werden die Leute 100 verschiedene Wege finden, um die Eigenschaften des Partikels zu testen, wie Harry es beschrieben hat. Danach wird uns eine Phase der „Astronomie der dunklen Materie“ helfen, die Rolle des Teilchens im Universum zu lernen. Wir wollen messen, wie schnell es geht, wie viel davon es gibt, wie es sich in einer Galaxie verhält.
TKF: Es ist offensichtlich viel zu tun, wenn wir nur eine Art von Partikeln der dunklen Materie finden. Aber es hört sich so an, als gäbe es einen ganz neuen Zoo mit dunklen Partikeln. Glauben Sie, wir brauchen ein "Dark Standard Model"?
NELSON: Ich hatte oft den folgenden Gedanken: Hier sind wir, in unseren dürftigen 15 Prozent der Materie im Universum, und fragen uns, was dunkle Materie ist. Wenn dunkle Materie so komplex ist wie wir, kann es sein, dass sie nicht einmal weiß, dass wir existieren. Wir sind nur eine Minderheit von 15 Prozent, aber irgendwie denken wir, dass wir so wichtig sind. Aber Experimente mit dunkler Materie wissen vielleicht nicht einmal, dass wir existieren, weil wir die Welt der dunklen Materie viel weniger stören als die dunkle Materie.
Der Sektor der Dunklen Materie kann so komplex sein - oder vielleicht sogar fünfmal so komplex - wie unser. Genau wie wir hauptsächlich aus Atomen bestehen, die aus Elektronen und Kernen bestehen, ist dunkle Materie vielleicht auch so. Bei einigen Suchvorgängen nach WIMPs müssen Sie vorsichtig sein. Möglicherweise ist die Art und Weise, wie diese Dinge mit unserer Angelegenheit interagieren, etwas anderes als der einfachste Fall, den wir suchen.
FIGUEROA-FELICIANO: Harry, wenn du Occams Rasiermesser auf unser Universum anwenden würdest, wie verhält es sich mit dem Standardmodell?
NELSON: Nun, es ist nicht sehr gut. Das Standardmodell ist viel komplexer als es sein muss. Vielleicht gilt das Gleiche für die Dunkle Materie. Vielleicht gibt es da draußen sogar dunkle Photonen. Die Idee ist interessant. Gray sucht mit ADMX nach einem Partikel, das mit der starken Wechselwirkung zu tun hat. Tali und ich suchen nach einem Teilchen, das mit der schwachen Wechselwirkung zu tun hat. Und die Suche nach dem dunklen Photon sucht nach einer Beziehung zwischen der elektromagnetischen Wechselwirkung und dem Sektor der dunklen Materie.
Die Community möchte unbedingt die Dunkle Materie herausfinden. Es ist ein Gefühl der Dringlichkeit, und wir werden nach Möglichkeit danach suchen.
RYBKA: Das ist wahr. Bei ADMX konzentrieren wir uns hauptsächlich auf das Axion, suchen aber auch nach dunklen Photonen in den unteren Massen. Es gibt Kandidaten für Dunkle Materie, auf die sich die Leute wirklich sehr freuen, wie Axionen und WIMPs. Die lassen Experimente bauen, die ihnen gewidmet sind. Und dann gibt es die Ideen, die vielleicht gut sind, aber nicht so motiviert sind wie dunkle Photonen. Die Leute suchen immer noch nach Wegen, um diese Ideen zu testen, oft mit vorhandenen Experimenten.
TKF: Es ist klar, dass es eine Vielzahl von Orten gibt, an denen wir dunkle Materie finden können. Wir streben nach diesem Gold, wo immer wir können, sind uns aber nicht sicher, ob es existiert, wo immer wir suchen. Wie ist es, nach etwas zu suchen, das Sie vielleicht nie finden werden?
FIGUEROA-FELICIANO: Ich denke, dass die Leute, die mit dunkler Materie arbeiten, eine bestimmte Persönlichkeit haben, ein bisschen wie ein Spieler. Wir setzen auf den High Stake und setzen alle Chips ein. Es gibt andere Bereiche der Physik, in denen wir mit Sicherheit etwas sehen werden. Stattdessen suchen wir nach etwas, das wir möglicherweise nicht wirklich sehen. Wenn wir es jedoch sehen, ist es eine große Sache.
Wir haben großes Glück, dass wir dafür bezahlt werden, herauszufinden, woraus das Universum besteht. Das ist eine unglaublich wunderbare Sache.
NELSON: Manchmal denke ich daran, wie es gewesen sein muss, Columbus und seine Besatzung zu sein, oder die Entdecker, die zuerst an die Pole der Erde gingen. Sie waren weit draußen in der Mitte des Ozeans oder im Eis, nicht ganz sicher, was als nächstes kommen würde. Aber sie hatten sich Ziele gesetzt: Indien und China für Columbus, die Pole für diese Entdecker. Wir sind auch Entdecker, wir setzen uns auch Ziele, um bestimmte vordefinierte Empfindlichkeiten für dunkle Materie zu suchen. Wir setzen moderne Technologien ein, um unsere spezifischen Ziele zu erreichen. Und wir können es zur Neuen Welt oder zum Nordpol machen, und das ist wunderbar aufregend.
Abgeleitete Verteilung dunkler Materie über einem Hubble-Weltraumteleskopbild des Galaxienhaufens Abell 1689 in Purpur. Aufnahme über NASA, ESA, E. Jullo (JPL / LAM), P. Natarajan (Yale) & J-P. Kneib (LAM)
Fazit: Die Kavli Foundation lädt Sie am 20. November 2014 zu einem Live-Q & A mit Wissenschaftlern ein, die auf dem neuesten Stand der Suche nach Dunkler Materie sind, und bietet diesen Hintergrundinformationen zu Experimenten mit Dunkler Materie der nächsten Generation, die im vergangenen Juli grünes Licht für eine Finanzierung erhalten haben .