O Mistério das Trevas-Matter Aprofunda - "Os físicos tentando decodificar mensagem oculta"

"A natureza está sendo modesto", disse Figueroa Enectali-Feliciano , um professor associado de física do Instituto Kavli MIT for Astrophysics and Space Research, que trabalha em uma das três novas experiências. "Não é algo que simplesmente não entendem sobre a estrutura interna de como o universo funciona. Quando teóricos anote todas as formas de matéria escura podem interagir com os nossos partículas, eles encontram, para os modelos mais simples, que deveria ter visto isso já. Assim, mesmo que não tê-lo encontrado, no entanto, há uma mensagem lá, que nós estamos tentando decodificar agora ".

Nossa galáxia Via Láctea ainda está reunindo-se da matéria escura e da matéria normal. Os cientistas sabem há muito tempo que a matéria escura é lá fora, em silêncio, orquestrando movimento e estrutura do universo. Mas o que exatamente é a matéria escura é feito? E o que uma partícula de matéria escura parece? Isso ainda é um mistério, com o experimento após experimento que vem de mãos vazias na busca para detectar essas partículas elusivas

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Leslie Rosenberg, um físico com a Universidade de Washington publicou um documento no Proceedings of the National Academy of Sciences, descrevendo o estado atual da pesquisa que envolve investigar a possibilidade de que axions são o que compõem a matéria escura. Ele também oferece uma perspectiva sobre o trabalho sugerindo que pelo menos um projecto é susceptível de conduzir a quer provar ou não que axions são matéria escura.

No final do século 20, tornou-se uma ciência cosmologia precisão. Agora, no início do próximo século, os parâmetros que descrevem a forma como o nosso universo evoluiu a partir da big bang são geralmente conhecidos a alguns por cento. Um parâmetro chave é a densidade de massa total do universo. A matéria normal constitui apenas uma pequena fração da densidade da massa total. As observações sugerem que esta massa adicional, a matéria escura, é frio (ou seja, que se deslocam nonrelativistically no início do universo) e interage fracamente se em tudo com a matéria normal e radiação. Não há nenhuma conhecida como partícula elementar, por isso a forte presunção é a matéria escura é composta por relíquias de partículas de um novo tipo que sobraram do Big Bang.

Uma das questões mais importantes da ciência é a natureza dessa matéria escura. Uma partícula atraente candidato de matéria escura é a Axion. Os físicos calculam que a matéria escura é composto de 27 por cento do universo; matéria normal de 5 por cento.WIMPS, de interação fraca partículas massivas, ou axions, são fracamente interagindo partículas de baixa massa.

Pesquisas Axion usar uma ampla gama de tecnologias, e as sensibilidades da experiência estão agora chegando a prováveis ​​acoplamentos Axion de matéria escura e massas.

"Nós estamos todos olhando e em algum lugar, talvez até mesmo agora, há um pouco de dados que vai fazer com que alguém tem um" Ah ha! " momento ", disse Harry Nelson, professor de física na Universidade da Califórnia, Santa Barbara e ciência da ligação para o LUX atualizar, chamado LUX-ZEPLIN. "Essa idéia de que há algo lá fora que não podemos sentir ainda é uma daquelas coisas que envia arrepios na espinha."

Com alguma sorte, que pode estar prestes a mudar. Com dez vezes a sensibilidade de detectores anteriores, três experimentos de matéria escura recentemente financiados têm cientistas cruzam os dedos para que possam finalmente vislumbrar essas partículas há muito procurados. Em conversas recentes com a Fundação Kavli, os cientistas que trabalham com esses novos experimentos expressou esperança de que eles iriam pegar a matéria escura, mas também concordou que, no final, seu sucesso ou fracasso depende de natureza decidir.

Enquanto estudava sobre os dados recolhidos pela Agência Espacial Europeia XMM-Newton nave espacial, uma equipe de pesquisadores na semana passada observado um pico de estranho em emissões de raios-X provenientes de dois corpos celestes diferentes - a galáxia de Andrômeda e do aglomerado de galáxias Perseus não corresponde a nenhum conhecido ou um átomo de partícula e, portanto, podem ter sido produzidos por matéria escura.

A imagem no topo da página mostra a região central do aglomerado de galáxias Perseus, usando o Observatório de Raios-X Chandra da NASA e outras 73 clusters com da ESA XMM-Newton revelou um sinal de raio-X misteriosa nos dados. O sinal também é visto em mais de 70 outros aglomerados de galáxias usando XMM-Newton. Uma explicação possível intrigante desta linha de emissão de raios-X é que ele é produzido pela decomposição de neutrinos estéreis, um tipo de partícula que tem sido proposto como um candidato para a matéria escura. Enquanto mantém potencial emocionante, estes resultados devem ser confirmados com os dados adicionais para descartar outras explicações e determinar se é plausível que a matéria escura foi observada.

O Cluster Perseus é um dos objetos de maior massa no Universo, e contém milhares de galáxias imersos em uma enorme nuvem de gás superaquecido. Imagem de raios-X do Chandra In, enormes laços brilhantes, ondulações, e estrias jet-como em todo o cluster pode ser visto. Os filamentos azuis escuros no centro são provavelmente devido a uma galáxia que foi dilacerado e está caindo emNGC 1275 (aka Perseus A), a galáxia gigante que está no centro do cluster.

Há incerteza nestes resultados, em parte, porque a detecção desta linha de emissão está empurrando as capacidades de ambos Chandra e XMM-Newton, em termos de sensibilidade. Além disso, pode haver outros que neutrinos estéreis explicações, se esta linha de emissão de raios-X é considerada para ser real. Por exemplo, existem maneiras que a matéria normal no cluster poderia ter produzido a linha, embora a análise da equipe sugeriu que todos estes envolveria mudanças improváveis ​​para a nossa compreensão das condições físicas no aglomerado de galáxias ou os detalhes da física atômica de extremamente gases quentes.

"Distribuição do sinal dentro da galáxia corresponde exatamente ao que nós estávamos esperando com a matéria escura - que é, concentrado e intenso no centro de objetos e mais fraca e difusa nas bordas", coautor do estudo Oleg Ruchayskiy, da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), disse.

O primeiro dos novos experimentos, o chamado eXperiment Axion Dark Matter , procura por um tipo teórico de partícula de matéria escura chamado o Axion. ADMX procura evidências dessa partícula extremamente leve convertendo em um fóton no campo magnético de alta do experimento. Variando-se lentamente o campo magnético, o detector de caça para uma massa axion de cada vez.

"Nós demonstramos que temos as ferramentas necessárias para ver axions", disse Gray Rybka, a investigação professor assistente de física na Universidade de Washington, que co-lidera o ADMX Gen 2 experimento. "Com Gen2, nós estamos comprando uma geladeira muito, muito poderoso que vai chegar muito em breve. Uma vez que ele chega, nós vamos ser capazes de digitalizar muito, muito rapidamente e nós sentimos que vamos ter uma chance muito maior de encontrar axions -. Se eles estão lá fora "

Os outros dois novos experimentos olhar para um tipo diferente de matéria escura teórico chamado WIMP. Curto para interação fraca Massive Particle , o WIMP interage com o nosso mundo de forma muito fraca e muito raramente. O Grande Metro Xenon, ou LUX, experiência, que começou em 2009, está agora recebendo um upgrade para aumentar a sua sensibilidade WIMPs mais pesados.Enquanto isso, o Super criogênica Dark Matter Pesquisa colaboração, que olhou para o sinal de uma WIMP leve Roldão através do seu detector desde 2013, está em processo de finalização do projeto para uma nova experiência a ser localizado no Canadá.

"De certa forma é como olhar para o ouro", disse Figueroa-Feliciano, membro do experimento SuperCDMS. "Harry tem sua panela e ele está olhando para o ouro em uma lagoa profunda, e estamos procurando em uma lagoa ligeiramente mais raso, e Gray é um pouco a montante, olhando em seu próprio local. Nós não sabemos o que está acontecendo para encontrar ouro, porque não sabemos onde ele está. "

Rybka concordou, mas acrescentou a perspectiva mais otimista de que também é possível que todos os três experimentos vai encontrar matéria escura. "Não há nada que exigiria a matéria escura deve ser feita de apenas um tipo de partícula, exceto nos esperando que ele é tão simples assim", disse ele. "A matéria escura poderia ser axions um terço, um terço WIMPs pesados ​​e um terço WIMPs leves. Isso seria perfeitamente admissível a partir de tudo o que já vimos. "

No entanto, a pepita de ouro para que todos os três experimentos de pesquisa é muito valiosa. E mesmo que a busca é difícil, todos os três cientistas concordaram que vale a pena porque vislumbrando matéria escura iria revelar insights sobre uma grande parte do universo.

A comunidade de física passou três décadas procurar e encontrar nenhuma evidência de que a matéria escura é feita de pequenas partículas exóticos. Recentemente, o professor de física Case Western Reserve University Glenn Starkman e David Jacobs, que recebeu seu PhD em Física pela CWRU em maio e é agora um companheiro na Universidade da Cidade do Cabo, as observações dizem publicados fornecer orientações, limitando onde olhar. As Macros, como Starkman e Jacobs chamá-los, não só WIMPS e axions anão, mas diferem de maneira importante. Eles poderiam ser montados fora de partículas no modelo padrão da física de partículas em vez de exigir nova física para explicar a sua existência.

"Nós estivemos procurando por WIMPs por um longo tempo e não tê-los visto", disse Starkman. "Esperávamos fazer WIMPS no Large Hadron Collider, e nós não temos."

WIMPS e axions permanecem possíveis candidatos a matéria escura, mas não há razão para procurar outro lugar, os teóricos argumentam. "A comunidade havia tipo de afastou-se da idéia de que a matéria escura pode ser feita de coisas normais-ish no final dos anos 80", acrescentou Starkman. "Nós pedimos, foi que completamente correto e como sabemos que a matéria escura não é coisa coisas- mais comum que poderia ser feito a partir de quarks e elétrons?"

Depois de eliminar a matéria mais comum, incluindo falhou Jupiters, anãs brancas, estrelas de nêutrons, buracos negros estelares, os buracos negros no centro das galáxias e neutrinos com um monte de massa, como possíveis candidatos, os físicos virou seu foco sobre as espécies exóticas. A matéria que estava em algum lugar entre o ordinário e exóticas-parentes das estrelas de nêutrons ou grandes núcleos-foi deixado sobre a mesa, disse Starkman. "Nós dizemos parentes porque eles provavelmente têm uma mistura considerável de quarks estranhos, que são feitas em aceleradores e normalmente têm vidas extremamente curtas", disse ele.

Apesar de quarks estranhos são altamente instáveis, Starkman aponta que nêutrons também são altamente instáveis. Mas, em hélio, ligado com prótons estáveis, os nêutrons se mantêm estáveis. "Isso abre a possibilidade de que a questão nuclear estranho estável foi feito no início do universo e da matéria escura não é nada mais do que pedaços de matéria nuclear estranho ou outros estados ligados de quarks, ou de bárions, que são eles próprios feitos de quarks", disse ele. Tal matéria escura caberia o Modelo Padrão.

As macros teria que ser montado a partir de quark ou bariones comuns e estranhas antes da estranho quark ou bariones decaimento, e a uma temperatura acima 3500000000000 graus Celsius, comparável com a temperatura no centro de uma supernova maciça, Starkman e Jacobs calculado. Os quark teria de ser montado com um rendimento de 90 por cento, deixando apenas 10 por cento para formar os protões e neutrões encontrados no universo hoje.

Os limites do possível matéria escura são os seguintes:

Um mínimo de 55 gramas. Se a matéria escura foram menores, teria sido visto em detectores em Skylab ou em faixas encontradas em folhas de mica. Um máximo de 1024 (um milhão de bilhões de bilhões) gramas. Acima disso, as Macros seria tão grande que iria dobrar a luz das estrelas, o que não foi visto. A gama de 1017-1020 gramas devem também ser eliminados a partir da pesquisa, os teóricos dizem. A matéria escura nessa faixa seria enorme para lentes gravitacionais para afetar os fótons individuais a partir de explosões de raios gama de formas que não foram vistos.

Se a matéria escura é dentro desta faixa permitida, há razões que não foi visto.

Na massa de 1.018 gramas, Macros de matéria escura teria atingido a Terra uma vez a cada bilhão de anos. No massas inferiores, eles atingem a superfície terrestre com mais freqüência, mas pode não deixar um registro reconhecível ou marca observável. Na faixa de 109-1018, a matéria escura iria colidir com a Terra uma vez por ano, desde que não haja subterrâneos detectores de matéria escura no lugar.

The Daily Galaxy via pnas.org , kavlifoundation.org, Case Western Reserve University, e http://arxiv.org/pdf/1410.2236.pdf .