ניסוי BREAD משפר את חקר החומר האפל על ידי שימוש בעיצוב רחב ויעיל בחלל, וסוללת את הדרך לפריצות דרך מדעיות עתידיות. קרדיט: twoday.co.il.com
הגישה החדשנית של BREAD לזיהוי חומר אפל משתמשת באנטנת "צלחת" קואקסיאלית כדי לסרוק אחר חלקיקים מסתוריים.
אחת התעלומות הגדולות של המדע המודרני הוא החומר האפל. אנו יודעים שחומר אפל קיים הודות להשפעותיו על עצמים אחרים בקוסמוס, אך מעולם לא הצלחנו לראות אותו ישירות. וזה לא דבר של מה בכך – נכון לעכשיו, מדענים חושבים שהוא מהווה כ-85% מכל המסה ביקום.
ניסוי חדש על ידי שיתוף פעולה בראשות ה אוניברסיטת שיקגו ומעבדת האצה הלאומית של פרמי, הידועה בשם ניסוי מחזירי הפס הרחב עבור אקסיון Detection או BREAD, פרסמה את התוצאות הראשונות שלה בחיפוש אחר חומר אפל במחקר שפורסם ב מכתבי סקירה פיזית. למרות שהם לא מצאו חומר אפל, הם צמצמו את האילוצים היכן הוא יכול להיות והדגימו גישה ייחודית שעשויה לזרז את החיפוש אחר החומר המסתורי, במעט מקום ובעלות קטנה יחסית.
עיבוד של עיצוב BREAD. המבנה בצורת 'הרשי'ס Kiss' משפך אותות חומר אפל פוטנציאליים לגלאי בצבע הנחושת בצד שמאל. הגלאי קומפקטי מספיק כדי להתאים על משטח שולחן. קרדיט: BREAD Collaboration
"אנחנו מאוד נרגשים ממה שהצלחנו לעשות עד כה", אמר UChicago Assoc. פרופ' דיוויד מילר, מנהיג שותף בניסוי לצד אנדרו זוננשיין של פרמילאב, שפיתח במקור את הקונספט לניסוי. "יש הרבה יתרונות מעשיים לעיצוב הזה, וכבר הראינו את הרגישות הטובה ביותר עד כה בתדר 11-12 גיגה הרץ הזה."
"תוצאה זו היא אבן דרך לתפיסה שלנו, המדגימה לראשונה את כוחה של הגישה שלנו", אמר פוסט-דוקטורט פרמילב ומחבר המחקר הראשי סטפן קנירק, שעמד בראש הבנייה והתפעול של הגלאי. "זה נהדר לעשות את הסוג הזה של מדע יצירתי בקנה מידה שולחני, שבו צוות קטן יכול לעשות הכל, החל מבניית הניסוי ועד לניתוח נתונים, אבל עדיין יש לו השפעה רבה על פיזיקת החלקיקים המודרנית."
'יש שם משהו'
כשאנחנו מסתכלים סביב היקום, אנחנו יכולים לראות שחומר כלשהו מפעיל מספיק כוח משיכה כדי למשוך כוכבים וגלקסיות ואור חולף, אבל אף טלסקופ או מכשיר מעולם לא קלטו ישירות את המקור – ומכאן השם 'חומר אפל'.
עם זאת, מכיוון שאיש מעולם לא ראה חומר אפל, אנחנו אפילו לא יודעים בדיוק איך הוא עשוי להיראות או אפילו היכן בדיוק לחפש אותו. "אנחנו מאוד בטוחים שמשהו קיים, אבל יש הרבה מאוד צורות שזה יכול ללבוש", אמר מילר.
מדענים מיפו כמה מהאפשרויות הסבירות ביותר למקומות וצורות לחפש. בדרך כלל, הגישה הייתה לבנות גלאים כדי לחפש ביסודיות אזור ספציפי אחד (במקרה זה, קבוצת תדרים) על מנת לשלול זאת.
אבל צוות של מדענים חקר גישה אחרת. העיצוב שלהם הוא "פס רחב", כלומר הוא יכול לחפש סדרה גדולה יותר של אפשרויות, אם כי עם מעט פחות דיוק.
"אם אתה חושב על זה כמו רדיו, החיפוש אחר חומר אפל הוא כמו כוונון החוגה כדי לחפש תחנת רדיו מסוימת, אלא שיש מיליון תדרים לבדיקה", אמר מילר. "השיטה שלנו היא כמו לעשות סריקה של 100,000 תחנות רדיו, ולא של כמה ביסודיות מאוד."
Stefan Knirck של Fermilab עם רכיבים של גלאי BREAD. קרדיט: אוניברסיטת שיקגו
הוכחה לקונספט
גלאי BREAD מחפש תת-קבוצה ספציפית של אפשרויות. הוא בנוי לחפש חומר אפל בצורה של מה שמכונה "אקסיות" או "פוטונים כהים" – חלקיקים בעלי מסות קטנות במיוחד שניתן להמיר לעין גלויה. פוטון בנסיבות הנכונות.
לפיכך, BREAD מורכב מצינור מתכת המכיל משטח מעוקל הלוכד ומשפך פוטונים פוטנציאליים לחיישן בקצה אחד. כל העניין קטן מספיק כדי להתאים את הידיים שלך מסביב, וזה יוצא דופן עבור ניסויים מסוג זה.
בגרסה בקנה מידה מלא, BREAD יושב בתוך מגנט כדי ליצור שדה מגנטי חזק, מה שמעלה את הסיכוי להמיר חלקיקי חומר אפל לפוטונים.
עם זאת, להוכחת העיקרון, הצוות ניהל את הניסוי ללא מגנטים. שיתוף הפעולה הפעיל את אב הטיפוס ב- UChicago במשך כחודש וניתח את הנתונים.
התוצאות מבטיחות מאוד, מראות רגישות גבוהה מאוד בתדר שנבחר, אמרו המדענים.
מאז שפורסמו התוצאות ב מכתבי סקירה פיזית התקבלו, BREAD הועבר למגנט MRI מחודש במעבדה הלאומית של Argonne והוא לוקח נתונים נוספים. ביתו בסופו של דבר, במעבדת האצה הלאומית של פרמי, ישתמש במגנט חזק עוד יותר.
"זהו רק הצעד הראשון בסדרת ניסויים מרגשים שאנו מתכננים", אמר זוננשיין. "יש לנו רעיונות רבים לשיפור הרגישות של חיפוש האקסיון שלנו."
"יש עדיין כל כך הרבה שאלות פתוחות במדע, ומרחב עצום לרעיונות חדשים יצירתיים להתמודדות עם השאלות האלה", אמר מילר. "אני חושב שזו דוגמה מובהקת לרעיונות יצירתיים מהסוג הזה – במקרה הזה, שותפויות משותפות משפיעות בין מדע בקנה מידה קטן יותר באוניברסיטאות לבין מדע בקנה מידה גדול יותר במעבדות לאומיות."
מכשיר ה-BREAD נבנה ב-Fermilab כחלק מתוכנית המחקר והפיתוח של גלאי המעבדה ולאחר מכן הופעל ב- UChicago, שם נאספו הנתונים למחקר זה. סטודנט לתואר שלישי של UChicago, גייב הושינו, הוביל את פעולת הגלאי, יחד עם הסטודנטים לתואר ראשון אלכס לאפואנטה ומירה ליטמן.
המעבדה הלאומית Argonne מחזיקה מתקן מגנט חשוב שישמש את השלב הבא של תוכנית הפיזיקה BREAD. מוסדות אחרים, כולל מעבדת האצה הלאומית של SLAC, המעבדה הלאומית לורנס ליברמור, המכון הטכנולוגי של אילינוי, MITהמעבדה להנעת סילון, ה אוניברסיטת וושינגטוןCaltech, ואוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין, עובדים עם UChicago ו-Fermilab על מו"פ עבור גרסאות עתידיות של הניסוי.
מימון: משרד המדע של מחלקת האנרגיה של ארה"ב, יוזמת כוח המשימה המשותפת של אוניברסיטת שיקגו, מלגת מחקר ג'וניור של קיימברידג', מלגת פורת של מכון קאולי לאסטרופיזיקה וקוסמולוגיה של חלקיקים.
