"The Quest for Dark Matter" - os principais especialistas do mundo Discuta sua busca

A descoberta da matéria escura significa que teria identificado a forma dominante de matéria no universo que a estrutura sem sementes e levou a galáxias, sistemas solares e planetas, e, finalmente, a nossa Terra com vida inteligente. No final de fevereiro, os caçadores de matéria escura de todo o mundo reuniram-se na Universidade da Califórnia, Los Angeles para "Dark Matter 2014" - o material desconhecido que representa mais de um quarto do universo ainda permanece um mistério.

A conferência anual é um dos maiores de seu tipo destinado a discutir os últimos progressos na busca de identificar a matéria escura. Cerca de 160 pessoas participaram, incluindo os físicos renomados de instituições nos Estados Unidos e na Europa, bem como do Japão, China e Canadá.

Então onde é que a caça está? Entre as sessões, três físicos principais da conferência passou uma hora discutindo seus maiores destaques e perspectivas de progresso futuro. 

Blas Cabrera - Professor de Física na Universidade de Stanford, e membro do Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas e Cosmologia (KIPAC) em Stanford. Porta-voz do experimento SuperCDMS matéria escura. Dan Hooper - cientista no Grupo de Astrofísica Teórica da Fermi National Accelerator Laboratory, Professor Associado do Departamento de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Chicago, e Membro Sênior do Instituto Kavli de Física Cosmológica ( KICP) emUChicago . Tim Tait - Professor de Física e Astronomia da Universidade da Califórnia, Irvine, e Membro do Grupo de Física de Partículas Teórica da UC Irvine.

O que se segue é uma transcrição editada da discussão conduzida pela Fundação Kavli da Universidade de Stanford. A Fundação Kavli suporta líder da ciência tem como objetivo compreender a origem, estrutura e composição do cosmos.

A FUNDAÇÃO Kavli: Quase todo mundo na conferência parece pensar que estamos finalmente no caminho para descobrir o que é a matéria escura. Após 80 anos de estar no "escuro", o que devemos ouvir nesta reunião para explicar o otimismo?

Por que os cientistas otimista sobre descobrir o que é a matéria escura?

O que é o mais recente para os pesquisadores que procuram evidências da supersimetria, o que poderia revelar a natureza da matéria escura?

Alguma coisa discutido nesta reunião convencido de que a abordagem que vai ser o primeiro a identificar a matéria escura?

O que seria uma detecção confirmada de matéria escura realmente significa para o que sabemos sobre o universo? 

BLAS CABRERA : Esta conferência destacou a progressão de experimentos maiores e maiores, com notáveis ​​avanços na sensibilidade. O que estamos procurando é a evidência de uma partícula de matéria escura, ea idéia principal para o que poderia ser uma coisa chamada uma partícula massiva de interação fraca, ou WIMP. Acreditamos que o WIMP interage com a matéria comum só muito raramente, mas temos sugestões de algumas experiências que podem ser evidências para WIMPs .

Separadamente nesta conferência, ouvimos sobre melhoradas calibrações de resultados da última queda de LUX, o Grande detector subterrâneo Xenon que agora lidera o mundo em sensibilidade para os fracos acima da massa de seis prótons - um próton ser o núcleo de um átomo de hidrogénio. Sob uma interpretação padrão dos dados, a equipe LUX descartou a possibilidade de uma gama de massas low-end para a partícula de matéria escura, um outro grande avanço, pois não ver potenciais detecções relatados por outros experimentos e restringe ainda mais as possibilidades de como o maciço WIMP pode ser.

Finalmente, Dan [Hooper] também fez uma apresentação notável aqui sobre outro esforço: para detectar indiretamente matéria escura através do estudo da radiação que vem do centro da galáxia da Via Láctea. Ele relatou a possibilidade de um sinal de matéria escura forte, e eu diria que também foi um dos destaques da conferência, pois fornece-nos algumas das evidências mais fortes até agora de uma detecção de matéria escura no espaço. Dan pode explicar.

 Na imagem abaixo, os fótons de raios gama visto que emana do centro da galáxia da Via Láctea são consistentes com a intrigante possibilidade de que as partículas de matéria escura são aniquilar uns aos outros no espaço, de acordo com pesquisa realizada pelos astrofísicos UC Irvine.Analisando os dados coletados entre agosto de 2008 e junho de 2012 do telescópio espacial da NASA Fermi Gamma-ray em órbita da Terra, a equipe encontrou mais fótons de raios gama provenientes do centro galáctico da Via Láctea do que eles esperavam, com base em modelos científicos anteriores.

DAN HOOPER: Quatro anos e meio atrás, eu escrevi o meu primeiro papel na busca por evidências de matéria escura no centro da galáxia da Via Láctea. E agora nós pensamos que temos os resultados mais convincentes até o momento. O que estamos vendo é realmente raios gama - a forma mais energética de luz - que irradia a partir do centro da galáxia. Eu acho que isso é muito provável que um sinal de aniquilar partículas de matéria escura. Como explicou Blas, acreditamos matéria escura é feita de partículas, e essas partículas, por si só, são esperados para ser estável - o que significa que eles não são facilmente decair em outras partículas ou formas de radiação. Mas no núcleo denso da Via Láctea, nós pensamos que eles colidem e aniquilar uns aos outros, no processo de liberação de grandes quantidades de energia na forma de raios gama.

TIM TAIT: Esperamos que a densidade de partículas de matéria escura, e, portanto, a intensidade da radiação de raios gama liberada quando eles colidem, ambos devem cair como você se afasta do centro da galáxia. Então, você meio que sabe o que o perfil do sinal deve ser, movendo-se a partir do centro da galáxia para fora.

TKF: Então Dan, neste caso os raios gama que observamos que irradiam do centro da Via Láctea coincidir com as nossas previsões para a massa de partículas de matéria escura?

HOOPER: Isso mesmo. Nós previmos que o nível de energia dos raios gama deve ser, baseado em teorias estabelecidas para a forma como o maciço WIMP deveria ser, eo que temos visto corresponde ao modelo teórico mais simples para o WIMP. Nosso trabalho é baseado em mais dados, e encontramos formas mais sofisticadas de análise de dados. Jogamos todos os testes que poderíamos pensar nisso. Descobrimos que não só é o sinal de lá e muito significativa, as suas características realmente parecido com o que esperaríamos de matéria escura para produzir - da mesma forma que os mapas de radiação de raios gama no céu, em seu brilho geral, e em outro recursos.

TKF: Conte-me um pouco mais sobre essa previsão.

HOOPER: Nós achamos que todas as partículas que compõem a matéria escura foram todos produzidos no Big Bang há 14 bilhões de anos atrás, e, eventualmente, como o universo esfriou uma pequena fração sobreviveu para tornar-se a matéria escura que temos hoje. A quantidade que sobreviveu depende de quanto as partículas de matéria escura têm interagido com um outro ao longo do tempo cósmico. Quanto mais eles colidiram e tornou-se aniquilado, o assunto menos escuro sobrevive até hoje. Então, eu posso basicamente calcular a velocidade com que partículas de matéria escura colidiram sobre história cósmica - com base na quantidade de matéria escura que estimamos existe no universo hoje. E uma vez que eu tenho a taxa de aniquilação de matéria escura hoje, pode-se estimar o quão brilhante o sinal de raios gama a partir do centro da galáxia deve ser - se é feito de WIMPS de uma certa massa. E eis que, o sinal de raios gama observada é tão brilhante como nós prevemos que deveria ser.

TKF: O que mais chamou a atenção de todos na conferência?

TAIT: Um resultado realmente impressionante foi do Super criogênico Dark Matter Pesquisa, ou SuperCDMS, o experimento de detecção direta de que Blas trabalha. Eles não encontraram nenhuma evidência de matéria escura, e que contradiz vários outros experimentos de detecção directa que reivindicaram uma detecção na mesma faixa de massa.

CABRERA: O que estamos procurando é uma colisão extremamente raro entre um WIMP entrada eo núcleo de um único átomo em nosso detector, que em SuperCDMS é feito de cristal de germânio. A colisão faz com que o núcleo de um átomo de germânio para recuo, e que recuo gera uma pequena quantidade de energia que se pode medir.

Experiências de detecção directa estão situados no subsolo para minimizar o ruído de fundo a partir de uma variedade de fontes conhecidas de radiação, a partir do espaço e na terra. Os novos detectores que construímos em SuperCDMS permitiram-nos a rejeitar o ruído de fundo dominante que, no passado atrapalham nossa capacidade de detectar um sinal de matéria escura. Este ruído era de electrões batendo na superfície do cristal de germânio no detector.

O novo design permite identificar claramente e jogar fora esses eventos de superfície. Então, ao invés de dizer: "Ok, talvez esse fundo poderia ser, em parte, um sinal", podemos dizer com confiança agora, "não há nenhum plano de fundo" e você tem um resultado muito limpo. O que isto significa é que temos muito mais confiança em nossos dados, se fizer uma detecção potencial. E se não o fizermos, estamos mais confiantes de que estamos chegando vazio. Eliminando o ruído de fundo reduz drasticamente as incertezas em nossa análise - se encontrarmos alguma coisa ou não.

Uma pequena fração dos raios-x na imagem abaixo da área central da Andromeda com espaçonaves da Nasa Chandra X-ray Observatory-poderia originar de matéria escura obteve-galáxia.

TKF: O que chamou a atenção de todos no lado teórico?

CABRERA: O que me impressionou nesta reunião é que os físicos nucleares artigos descrevendo um quadro generalizado para todas as interações possíveis entre uma partícula de matéria escura eo núcleo de um único átomo do material que os pesquisadores usam em seus detectores recentemente por escrito; no caso de SuperCDMS, como eu já expliquei, é germânio e cristais de silício. Esses físicos nucleares têm apontado que cerca de metade de todas as interações possíveis não estão ainda a ser considerado agora. Estamos tentando digerir o que isso significa, mas sugere que há muitas mais possibilidades e muita coisa que ainda não sei.

TKF: Tim, com aceleradores, como o Large Hadron Collider na Europa, os investigadores estão à procura de evidências da supersimetria, o que poderia revelar a natureza da matéria escura.Conte-me sobre essa idéia. Além disso, nada de novo foi discutido na reunião?

TIM TAIT: A supersimetria propõe existem partículas espelho aquela sombra todas as partículas fundamentais conhecidas, e neste mundo de sombras pode espreitar a partícula de matéria escura.Então, por esmagamento em conjunto prótons no LHC, tentamos revelar essas partículas supersimétricas teóricas. Até agora, porém, o LHC ainda não encontrou qualquer evidência de supersimetria. Pode ser que a nossa visão da supersimetria não é a única visão para a física além do Modelo Padrão. Ou talvez a nossa visão para a supersimetria não é um completo.

TKF: O LHC vai colidir prótons em níveis muito mais elevados de energia no próximo ano, de modo que poderia revelar algo que simplesmente não consegue ver agora?

TAIT: Esperamos que sim. Temos muito boas razões para pensar que a mais leve das partículas espelho nesta família sombra é provavelmente estável, então as colisões de energia mais elevada poderia muito bem revelar-los. Se a matéria escura se formou no início do universo como uma partícula supersimétrica e ainda está ao redor - o que achamos que é - poderia aparecer na próxima rodada de experimentos do LHC.

TKF: Quando você pensa sobre as diferentes abordagens para identificar a matéria escura, tem alguma coisa discutido nesta reunião convencido de que um deles vai ser o primeiro?

TAIT: Quando você olha para todas as diferentes formas de olhar para a matéria escura, o que você encontra é que todos eles têm pontos fortes incríveis e todos eles têm pontos cegos. E para que você não pode realmente dizer se está fazendo melhor do que o outro. Você pode dizer, porém, que eles estão respondendo a perguntas diferentes e fazer coisas muito importantes.Porque mesmo que você acaba descobrindo a matéria escura em um só lugar - digamos, na busca detecção direta - o fato de que você não vê-lo no LHC, por exemplo, já está lhe dizendo algo surpreendente sobre a teoria. Um resultado negativo é realmente tão importante quanto a um resultado positivo.

Quando você olha para todas as diferentes formas de olhar para a matéria escura, o que você encontra é que todos eles têm pontos fortes incríveis e todos eles têm pontos cegos.

HOOPER: O mesmo acontece com os experimentos de detecção directa. Estou extremamente surpreso que eles não viram nada. Nós temos esta idéia de onde essas partículas supersimétricas e partículas WIMP deve aparecer nesses experimentos - no LHC e em experimentos de detecção directa - e ainda lo e eis que chegamos lá e eles não estão lá. Mas isso não significa que eles não estão ao virar da esquina, ou talvez vários cantos de distância.

CABRERA: Dado o progresso notável nos últimos anos, com muitas experiências de detecção direta, que não teria ficado surpreso de ter algo elevar sua cabeça que se parece com um verdadeiro covarde.

Excesso raysImage gama de excesso de raios gama visto em torno do centro da galáxia da Via Láctea, detectadas pelo telescópio Fermi Gamma-Ray Espaço. (Crédito: a caracterização do sinal Gamma-Ray da Via Láctea Central: um argumento convincente para aniquilar Dark Matter, Daylan et al, arXiv:.. 1402.6703v1 [astro-ph.HE] 26 de fevereiro de 2014)

HOOPER: Da mesma forma, eu acho que se você tivesse feito um levantamento dos físicos de partículas, há cinco anos, eu não acho que muitos deles teria dito que em 2014 nós só descobriu o Higgs - a partícula fundamental que dá massa às partículas fundamentais - e não qualquer outra coisa.

CABRERA: Agora que o Higgs foi bastante convincente visto, as próximas grandes questões para a comunidade acelerador são: "O que é a matéria escura? O que é que nos dizendo que nós não vemos a matéria escura no LHC? O que é que isso deixa em aberto? "Essas perguntas estão sendo feitas amplamente, o que não foi o caso nos últimos anos.

TKF: Foi encontrar o Higgs, em certo sentido, uma busca mais fácil do que identificar a matéria escura?

HOOPER: Sabíamos que o Higgs deve ser semelhante, e nós sabíamos que teríamos que fazer para observá-lo. Apesar de não saber exatamente o quão pesado que seria.

CABRERA: Nós sabíamos que tinha que estar lá.

HOOPER: Se ele não estivesse lá, teria sido estranho. Agora, com a matéria escura, existem centenas e centenas de diferentes candidatos WIMP que as pessoas têm escrito para baixo, e todos eles se comportam de forma diferente. Assim, o Higgs é uma idéia singular, mais ou menos, enquanto o WIMP é toda uma classe de idéias.

TKF: O que uma detecção confirmada de matéria escura realmente significa para o que sabemos sobre o universo? E onde vamos daqui?

CABRERA: A descoberta da matéria escura com experimentos de detecção directa não seria o fim da jornada, mas sim o início de um conjunto muito interessante de experiências de acompanhamento. Gostaríamos de determinar a massa e outras propriedades da partícula com mais precisão, e também gostaria de entender melhor como a matéria escura é distribuída e em torno de nossa galáxia. Follow-up experimentos com detectores que utilizam materiais diferentes, e também iria tentar mapear a direção que as WIMPs estão vindo através dos nossos detectores, que nos ajudam a compreender melhor a natureza da matéria escura que circunda a Terra.

No geral, a descoberta seria enorme para a astrofísica e cosmologia, e para a física de partículas elementares. Para astrofísica que teria identificado a forma dominante de matéria no universo que a estrutura sem sementes e levou a galáxias, sistemas solares e planetas, e, finalmente, a nossa Terra com vida inteligente. Do lado da física de partículas, esta nova partícula exigiria física além do Modelo Padrão, como a supersimetria, e nos permitiria investigar este novo setor com aceleradores de partículas como o LHC.

A história da ciência está cheia de descobertas abrindo novos caminhos para a exploração inteiros que não foram previstos.

TAIT: Eu acho que há um monte de maneiras diferentes que você pode olhar para ele. Do ponto de vista de um físico de partículas, nós agora temos uma nova partícula que teríamos de colocar em nossa mesa fundamental de partículas. Sabemos que ver um monte de estrutura nessa tabela, mas nós realmente não entendo onde a estrutura vem.

De um ponto de vista prático, e isso é muito especulativo, a matéria escura é uma forma congelada de energia, certo? Sua massa é energia, e é tudo que nos rodeia. Pessoalmente, se eu entendi como a matéria escura interage com a matéria comum, gostaria de tentar descobrir como construir um reator. E eu tenho certeza de que tal coisa não é nada prático hoje, mas um dia, poderemos ser capazes de fazê-lo. Agora, a matéria escura só vai para a direita através de nós, e não sabemos como pará-lo e comunicar-se com ele.

HOOPER: Isso foi incrível, Tim. Você desabrocha em minha mente. Estou imaginando uma cultura do século 25 em que podemos aproveitar a matéria escura para fazer uma forma inteiramente nova de energia.

TAIT: By the way, Dan, eu estou brincando com a idéia de escrever um artigo assim que nós devemos continuar a falar.

HOOPER: Eu gostaria de ouvir mais sobre ele. Isso soa muito bem. Assim, para uma espécie de eco um pouco do que Tim disse, a partícula de matéria escura, uma vez que identificá-lo, tem que se encaixar em uma teoria maior, que se conecta ao Modelo Padrão. Nós realmente não tem idéia do que isso pode parecer. Temos um monte de palpites, mas nós realmente não sabemos por isso há um monte de trabalho a fazer. Talvez isto nos ajude a construir uma grande teoria unificada - uma única explicação matemática para o universo - e ajuda-nos, por exemplo, entender as coisas como a gravidade, o que, francamente, não entendemos em tudo em um contexto de física de partículas.Talvez ela só vai abrir os olhos para possibilidades inteiramente novas que nós nunca considerados até agora. T

A história da ciência está cheia de descobertas abrindo novos caminhos para a exploração inteiros que não foram previstos. E eu tenho todos os motivos para pensar que isso não é improvável neste caso.

A imagem no topo da página mostra que a nossa Via Láctea Galaxy e os próximos grandes e Pequena Nuvem de Magalhães também parecem estar rodeado por um enorme halo de gás quente que se estende de 300.000 anos-luz, várias centenas de vezes mais quente do que a superfície da Sol, e com uma massa equivalente a até 60 bilhões de sóis, sugerindo que outras galáxias podem ser igualmente abrangida e fornecer uma pista para o mistério de bárions perdidos da galáxia de acordo com resultados de uma equipe de pesquisa usando dados do Observatório de Raios-X Chandra da NASA .

A presença de um grande halo de gás quente tal, se confirmada, poderia revelar onde a matéria bariônica faltando em nossa galáxia tem escondido. Esta nuvem tem sido detectado em medições feitas com o Observatório Chandra X-Ray, bem como com o XMM-Newton observatório espacial da Agência Espacial Europeia e Suzaku satélite do Japão.

The Daily Galaxy via Bruce Lieberman / http :/ / www.kavlifoundation.org/