In den uralten Felsen verborgene Unterschriften der dunklen Materie

Rocks on Earth könnte dunkle Materie erkennen helfen

Uralte Gesteine ​​auf der Erde könnten bei der Erkennung dunkler Materie helfen (Bildquelle)

Wenn unser aktuelles Verständnis des Universums korrekt ist, macht die Dunkle Materie fast 85% der gesamten Materie aus, und dennoch haben wir nach fast zwei Jahrzehnten unnachgiebiger Suche keine Partikel der dunklen Materie entdeckt. Die einzigen Beweise, die wir von dunkler Materie haben, sind gravitativ, und aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung mit normalen Teilchen sind sie äußerst schwer fassbar. Die Suche nach dunkler Materie findet im Weltraum, unter der Erde und unter Wasser statt, und ein kürzlich in Physical Review D (Akzeptiert am 26. Februar) veröffentlichtes Papier schlug vor, dass Gesteine, die seit Millionen von Jahren unter der Oberfläche unseres eigenen Planeten begraben sind, uns führen könnten bei der Jagd nach dunkler Materie.

WIMP Dark Matter Underground:

Abbildung 1: Schema der direkten Detektion von dunkler Materie (χ⁰) durch Rückstoßgeschwindigkeit von Nukleonen.

Unter vielen theoretischen Kandidaten für dunkle Materie stehen Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) im Vordergrund der Suche nach dunkler Materie. WIMPs sind die natürlichsten Kandidaten für dunkle Materie (sie erfordern keine Einführung neuer Kräfte), die zusammen mit anderen Baryonen im frühen Universum vorhanden sein können, was natürlich den Überfluss an dunkler Materie heute erklären kann, vorausgesetzt, ihre Masse liegt im GeV-Bereich. Eine Möglichkeit, diese neuen Partikel zu erkennen, besteht darin, nach sehr schwachen Wechselwirkungen zwischen Baryonen und WIMPS zu suchen. Diese Art der Suche ist als direkter Nachweis bekannt, bei dem Signaturen von Wechselwirkungen zwischen dunklen Materiepartikeln und Baryonen in der Rückstoßgeschwindigkeit von Nukleonen verborgen sein könnten (Abbildung 1). Diese Detektoren (z. B. LUX, XENON) werden normalerweise unterirdisch angeordnet, um den Hintergrund zu reduzieren, der hauptsächlich von kosmischen Strahlen stammt, die mit den Zielkernen (Detektormaterial) kollidieren. Bisher haben wir keine Anzeichen für dunkle Materie (abgesehen von einem umstrittenen Anspruch von DAMA) beobachtet, und die Nullergebnisse aus mehreren Experimenten haben uns geholfen, sehr strenge Grenzwerte für den Querschnitt der WIMP-Kerne-Interaktion festzulegen. Eine Gruppe von Wissenschaftlern aus Schweden, den USA und Polen schlug kürzlich eine neuartige Idee vor, dass Signaturen für dunkle Materie bereits in den „Paläodetektoren“ verborgen sein könnten, d. H. Alten Gesteinen, die unter der Erdkruste begraben sind.

Uralte Felsen und dunkle Materie:

Der Hauptunterschied zwischen "Paläodetektoren" und den derzeit laufenden direkten Detektionsexperimenten besteht darin, dass im Zielmaterial nach nuklearem Rückstoß gesucht wird, wohingegen bei Paläodetektoren die hauptsächlichen Beobachtungen die anhaltende chemische oder strukturelle Veränderung des Materials sind (lesen Sie "Urgesteine") durch den Rückstoßkern, wenn er von Partikeln der dunklen Materie getreten wird. Die Forscher schlugen vor, dass diese uralten Gesteine ​​aus extrem tiefen (~ 12 km) Bohrlöchern gewonnen werden können, die für geologische Untersuchungen und die Ölförderung genutzt werden. Die Signaturen der Wechselwirkung der dunklen Materie mit diesen Gesteinen werden in den Nanometer- bis Mikrometer-langen Spuren (abhängig von der nuklearen Rückstoßenergie) verborgen, und diese Spuren können mit Hilfe der Helium-Ionenmikroskopie (HIM) ausgelesen werden. Insbesondere haben die Autoren für WIMP mit geringer Masse dunkle Materie (Masse ≤ 10 GeV) hervorgehoben, Spuren mit einer Länge von ≤ 10 Nanometern werden mit einer sehr hohen Geschwindigkeit erzeugt, wenn das Teilchen der dunklen Materie tatsächlich mit den Kernen dieser uralten Gesteine ​​interagiert. Autoren haben Mineralien wie Halit (NaCl, dh gewöhnliches Steinsalz), Epsomite, Olivin, Gips usw. hervorgehoben, die möglicherweise als "Paläodetektoren" fungieren könnten, da sie eine niedrige Molekularzahldichte aufweisen (können längere Spuren, dh eine bessere Auflösung haben), niedrig radioaktive Kontaminationen, wie z. B. von Uran, und diese Mineralien kommen in sehr großen Tiefen aus extrem tiefen Bohrlöchern vor.

Empfindlichkeit der Paleo-Detektoren für spinunabhängige (SI) WIMP - Nukleon-Querschnitte. Die Empfindlichkeit dieser Detektoren ist mit den aktuellen Experimentgrenzen kompatibel, wie im grauen Bereich gezeigt. Bildquelle (Abbildung 5 des in Physical Review D veröffentlichten Forschungsberichts).

Es ist erstaunlich, darüber nachzudenken, wie winzige Proben aus uralten Gesteinen Überreste aus der Vergangenheit bewahren können, möglicherweise in Form von Fossilien, um das Jurazeitalter zu enthüllen, oder in Form von Nanometer-Spuren, um die Natur unseres Universums zu entdecken !

Über mich: Ich war an der wissenschaftlichen Analyse des CALET-Elektronenspektrums beteiligt, um Dark Matter-Signaturen zu finden. Finden Sie mich in Linkedin.

Verweise :

[1] „Suche nach dunkler Materie mit Paleo-Detektoren“ Baum, S. et al., ArXiv: 1806.05991

[2] „Paleo-Detektoren: Suche nach dunkler Materie mit uralten Mineralien“; Drukier, A. et al., Physical Review D; 99, 043014