Темная материя + Эксперимент

Ученые из Университета штата Нью-Йорк в Олбани открыли свойство переохлажденной воды замерзать при символическом воздействии на нее на субатомном уровне. Это позволило им сконструировать новый вид детектора, который поможет в поисках темной материи. Преимущество технологии в невероятной дешевизне, что позволит в перспективе создать тысячи детекторов.

Даже охлажденная ниже 0 °C вода не обязательно превращается в лед – чтобы кристаллы начали формироваться, нужны дополнительные условия. Американским ученым удалось охладить очищенную воду до -20 °C, сохранив ее жидкой. В таком состоянии она крайне нестабильна и любое воздействие приводит к образованию «снежинок», локальных областей из крохотных льдинок. И этот эффект можно спровоцировать, даже просто облучив камеру с водой слабым излучением.

Мэтью Шидагис, ведущий автор исследования, рассказывает: им удалось доказать, что даже ничтожно малое воздействие на атомы воды в таком состоянии провоцирует образование льда. Это во многом схоже с принципом работы старых дозиметров с камерой с перегретым паром – при движении через неустойчивую среду активные частицы вызывают возмущение, которое можно заметить визуально. Однако в случае с переохлажденной водой гамма-излучение никакого эффекта не дало — в отличие от нейтронов, что и навело ученых на мысль о постройке детектора темной материи.

Вкратце, идея в том, чтобы создать вокруг камеры с водой такие условия, когда можно будет исключить все виды воздействия на нее. А затем провести замеры – если нечто вызовет образование льда, значит, мы нашли новое излучение! А так как вода много дешевле, чем жидкий ксенон или сверхтекучий гелий в современных приборах, то эксперименты можно ставить много и с размахом, и наконец-то заняться масштабными поисками темной материи.

Источник

Бенджамин Франклин однажды сказал, что любой дурак может критиковать, осуждать и жаловаться — и большинство дураков так и делает. Ричард Фейнман однажды сказал о научном процессе: первый принцип заключается в том, чтобы не обманывать себя — а вас легче всего обмануть. Скептики считают, что ученые могут обманывать сами себя (то ли по незнанию, то ли чтобы сохранить свое рабочее место), и зачастую обвиняют их в этом — климатологов, космологов, кого угодно. В принципе, легко отмахнуться от такой критики как от необоснованной, но возникает интересный вопрос: как мы можем убедиться, что не обманываем себя?

В науке популярно мнение, что эксперименты должно быть возможно повторить и сфальсифицировать. Если у вас есть научная модель, эта модель должна делать четкие прогнозы, и эти прогнозы должно быть можно проверить таким образом, чтобы подтвердить или опровергнуть вашу модель. Иногда критики понимают это так, что истинная наука вершится лишь в лабораторных условиях, но это лишь часть истории. Наблюдательная наука вроде космологии также подчиняется этому правилу, поскольку новые наблюдения могут потенциально опровергнуть наши текущие теории. Если, к примеру, я наблюдаю тысячу белых лебедей, я могу предположить, что все лебеди белые. Наблюдение черного лебедя изменит мои домыслы. Научная теория не может быть абсолютной, всегда носит предварительный характер, меняется при появлении новых свидетельств.

И хотя это технически правильно, называть хорошо устоявшиеся теории «предварительными» немного нечестно. Например, теория всемирного тяготения Ньютона существовала несколько веков, прежде чем ее вытеснила общая теория относительности Эйнштейна. И если мы сегодня можем сказать, что ньютонова гравитация ошибочна, она работает так же, как и всегда работала. Теперь мы знаем, что Ньютон создал приблизительную модель, описывающую гравитационное взаимодействие масс, но настолько точно приближенную к действительности, что мы и сегодня можем использовать ее для расчета орбитальных траекторий. И только когда мы расширяем свои наблюдения за пределы (очень большого) диапазона ситуаций, в которых Ньютон был прав, нам требуется помощь Эйнштейна.

Когда мы собираем доказательства, подтверждающие научную теорию, мы можем быть уверены, что она работает с небольшим окошком для новых доказательств. Другими словами, теория может считать «истинной» в диапазоне, в котором ее качественно проверяли, но новые условия могут неожиданно выявить поведение, которое приведет к более широкой и полной картинке. Наши научные теории предварительны по своей сути, но не настолько, чтобы нельзя было положиться на их точность. И в этом проблема хорошо устоявшихся теорий. Раз мы никогда не сможем узнать наверняка, что наши экспериментальные результаты — «настоящие», откуда нам знать, что мы просто не выдаем желаемый ответ за действительный?

Замеры скорости света в разные годы:

Такого рода мышление появляется у студентов начальных курсов. Им поручают измерить некоторые экспериментальные значения вроде ускорения силы тяжести или длины волны лазера. Будучи новичками, они зачастую делают простейшие ошибки и получают результат, который не соответствует «общепринятому» значению. Когда это происходит, они возвращаются и ищут ошибки в работе. Но если они делают такие ошибки, что они уравновешиваются или оказываются неочевидными, они не будут перепроверять свою работу. Поскольку их результат близок к ожидаемому значению, они думают, что все сделали правильно. Такое предубеждение имеется у всех нас, а иногда и у заслуженных ученых. Исторически это происходило и со скоростью света, и с зарядом электрона.

В настоящее время в космологии есть модель, которая хорошо согласуется с результатами наблюдений. Это модель ΛCDM, название которой составлено из греческой буквы «лямбда» и холодной темной материи (CDM). Большинство уточнений этой модели включают проведение более точных измерений параметров этой модели, как то возраст Вселенной, параметр Хаббла и плотность темной материи. Если модель лямбда-CDM действительно точно описывает Вселенную, то непредвзятое измерение этих параметров должно следовать статистическому шаблону. Изучая исторические значения этих параметров, мы можем измерять, насколько смещенными были измерения.

Чтобы понять, как это работает, представьте дюжину студентов, измеряющих длину меловой доски. Статистически, некоторые студенты получают значение, которое больше или меньше настоящего. Согласно обычно распределению, если реальная длина доски составляет 183 сантиметра со стандартным отклонением в сантиметр, то восемь студентов получит результат в пределах 182-184 сантиметров. Но представьте, что все студенты уложились в этот диапазон. В таком случае вы имеет право подозревать некоторые ошибки в измерениях. К примеру, студенты услышали, что доска где-то «метр восемьдесят два с половиной», поэтому проводили измерения, округляя результат к 183. Парадоксально, но если их экспериментальные результаты оказались слишком хороши, можно подозревать изначальное предубеждение при проведении эксперимента.

В космологии различные параметры хорошо известны. Поэтому когда группа ученых проводит новый эксперимент, они уже знают, какой результат общепринят. Выходит, результаты экспериментов «заражены» предыдущими результатами? Одна из последних работ Quarterly Physics Review адресована именно этому вопросу. Изучая 637 измерений 12 различных космологических параметров, они выяснили, как статистически распределены результаты. Поскольку «настоящее» значений этих параметров неизвестно, авторы использовали результаты WMAP 7 как «истинные». И выяснили, что распределение результатов было более точным, чем должно было быть. Эффект невелик, поэтому его можно было бы списать на предубежденное ожидание, но он также сильно отличался от ожидаемого эффекта, что может указывать на переоценку экспериментальных неопределенностей.

Это не значит, что наша текущая космологическая модель неверна, но значит, что нам нужно быть чуть более осторожными в своей уверенности в точности наших космологических параметров. К счастью, существуют способы повысить точность измерений. Космологи не обманывают себя и нас, просто есть еще много пространства для улучшения и исправления данных, методов и анализов, которые они используют.

Под Блэк-Хиллс в Северной Дакоте ученые Сэнфордского подземного исследовательского центра используют детектор под названием Large Underground Xenon (LUX) в охоте за частицами темной материи, загадочной субстанции, на которую, по мнению ученых, приходится большая часть материи во Вселенной. Внутри этого массивного устройства, которое содержит треть тонны жидкого ксенона в титановом сосуде, массив чувствительных светодетекторов ждет момента, когда частица темной материи столкнется с атомом ксенона и излучит крошечную вспышку света.

В надежде уловить слабый сигнал, LUX разместили под километровым слоем породы, которая должна помочь в защите от космических лучей и другого излучения, которое могло бы помешать сигналу.

Пока LUX не обнаружил темную материю. Но с новым набором калибровочных методов, которые улучшают чувствительность детекторов, ученые надеются в скором времени, наконец, найти темную материю. «Очень важно, что мы продолжаем развивать потенциал нашего детектора», — говорит профессор Университета Брауна Рик Гейтскелл.

Темное начало

Если ученые, наконец, обнаружат частицы темной материи, это будет кульминацией поиска, который начался еще в 1930-х годах. Именно тогда швейцарский астроном Фриц Цвикки определил, что скорость, с которой вращалось удаленное скопление галактик, указывала на то, что в скоплении было больше массы, чем можно было понять по наблюдаемому свету.

С тех пор ученые ищут темную материю и пытаются выяснить, чем она является. В последние годы ученые полагались на инструменты, начиная от европейского Большого адронного коллайдера до орбитальной рентгеновской обсерватории «Чандра» NASA.

Если предположить, что в конечном итоге ученые доберутся до природы темной материи, возникает другой вопрос: есть ли человеческий способ ее использовать? Поможет ли это исследование просто понять Вселенную или же мы сможем разработать прикладные технологии?

Практическое применение

Одна из возможностей, о которой в 2009 году заговорил физик Нью-Йоркского университета Цзя Лю, может заключаться в использовании темной материи как источника энергии для питания космического корабля в ходе длительных миссий.

Концепция Лю основана на пока еще не проверенном предположении, что темная материя состоит из нейтралино, частиц без электрического заряда. Нейтралино также могут быть античастицами, то есть когда сталкиваются при определенных условиях, аннигилируют друг с другом и преобразуют всю свою массу в энергию.

Если это окажется правдой, полкило темной материи сможет производить в 5 миллиардов раз больше энергии, чем эквивалентное количество динамита. Да, именно миллиардов. Реактор на темной материи с легкостью разгонит ракету в космосе, а достаточно большое ядро сможет разогнать аппарат почти до скорости света, как следует из работы Лю.

Достучаться до звезд

Двигатель на темной материи Лю будет отличаться от традиционных ракетных. Это будет коробка с дверцей, которая открывается в направлении движения ракеты для сбора темной материи. Когда темная материя попадает в коробку, дверца закрывается, и коробка сжимается, чтобы сдавить темную материю и увеличить темпы аннигиляции. Как только частицы превратятся в энергию, дверца снова открывается, и энергия толкает ракету. В ходе космического путешествия этот цикл неоднократно повторяется.

Одним из преимуществ двигателя на темной материи будет то, что космическому аппарату не потребуется переносить много топлива, поскольку он сможет добывать его по дороге, учитывая изобилие темной материи в нашей Вселенной. И чем быстрее движется ракета, тем быстрее она будет собирать темную материю и ускоряться.

100-тонный ракетный корабль теоретически может приблизиться к скорости света в течение нескольких дней. Это, в свою очередь, снизит время, необходимое для поездки к Проксиме Центавра, ближайшей звезде к нашей Солнечной системе, с десятков тысяч лет до, возможно, пяти.

Кроме того, будут и другие технологии и изобретения, о которых мы не знаем и не узнаем, пока не осознаем их возможность.

Взято с Hi-News.ru