Tại sao bạn đặt cược vào các axion hoặc WIMP?
Nếu bạn tìm thấy vật chất tối, các bước tiếp theo là gì?
Chúng ta sẽ cần một mô hình hoàn toàn mới tối Dark hay không?
Cái gì mà nó thích tìm kiếm thứ gì đó bạn có thể không bao giờ tìm thấy?
Enectali Figueroa-Feliciano
Harry
Rybka xám
Vào ngày 20 tháng 11, từ 12 giờ đêm đến 12:30 chiều PST (20:00 đến 20:30 UTC), Enectali Figueroa-Feliciano, Harry Nelson và Gray Rybka sẽ trả lời câu hỏi của bạn về thế hệ thí nghiệm vật chất tối tiếp theo. Gửi câu hỏi của bạn trước và trong khi phát web bằng cách nhập vào địa chỉ email [email protected] hoặc bằng cách sử dụng hashtag #KavliLive trên hoặc Google+. Trong khi chờ đợi, hãy tận hưởng nền tảng này về vật chất tối - dựa trên cuộc thảo luận bàn tròn với các nhà khoa học này - được sản xuất bởi Kelen T Ink và Quỹ Kavli.
ENECTALI FIGUEROA-FELICIANO - là thành viên của sự hợp tác SuperCDMS và là phó giáo sư vật lý tại Viện nghiên cứu vật lý thiên văn và vũ trụ MIT Kavli.
HARRY NELSON - là nhà lãnh đạo khoa học cho thí nghiệm LUX-ZEPLINE và là giáo sư vật lý tại Đại học California, Santa Barbara.
GRAY RYBKA - dẫn đầu thí nghiệm ADMX Gen 2 với tư cách là đồng phát ngôn viên và là trợ lý nghiên cứu giáo sư vật lý tại Đại học Washington.
NỀN TẢNG KAVLI: Ba thí nghiệm vật chất tối thế hệ tiếp theo - Axion Dark Matter eXperiment Gen 2, LUX-ZEPLINE và Super Cryogen Dark Matter Search tại SNOLAB - đã bật đèn xanh cho tài trợ vào tháng 7 năm 2014. Mỗi lần sẽ nhạy hơn ít nhất 10 lần so với máy dò vật chất tối ngày nay. Chúng ta biết rằng vật chất tối phổ biến gấp năm lần so với vật chất thông thường và chúng ta có thể suy ra rằng các khối vật chất tối giúp giữ các cụm thiên hà lại với nhau. Vì vậy, chất này là một phần rất lớn tạo nên vũ trụ của chúng ta và là một phần quan trọng của lý do tại sao vũ trụ của chúng ta trông giống như nó. Tại sao, sau đó, thiên đường chúng ta có thể quan sát nó trực tiếp? Cái gì giữ chúng tôi lại?
HARRY NELSON: Một phần lớn của thách thức là vật chất tối không tương tác với chúng tôi rất nhiều. Chúng ta biết rằng vật chất tối luôn xuyên qua thiên hà của chúng ta, nhưng nó không phá vỡ loại vật chất mà chúng ta tạo ra.
Nhưng hơn thế nữa, vật chất tối cũng không tương tác với chính nó. Vấn đề mà chúng ta thấy xung quanh chúng ta mỗi ngày tương tác với chính nó: Các nguyên tử hình thành các phân tử, các phân tử tạo thành bụi bẩn và bụi bẩn hình thành các hành tinh. Nhưng đó không phải là vấn đề với vật chất tối. Vật chất tối được phân tán rộng rãi và không hình thành các vật thể dày đặc như chúng ta đã từng sử dụng. Điều đó, kết hợp với thực tế là nó không tương tác với loại vật chất của chúng tôi rất thường xuyên, khiến cho việc phát hiện nó trở nên khó khăn.
ENECTALI FIGUEROA-FELICIANO: Những gì Harry nói là hoàn toàn chính xác. Trong tâm trí của tôi, tự nhiên là nhút nhát. Có một cái gì đó mà chúng ta không thể hiểu được về cấu trúc bên trong của vũ trụ. Khi các nhà lý thuyết viết ra tất cả các cách vật chất tối có thể tương tác với các hạt của chúng ta, họ tìm thấy, đối với các mô hình đơn giản nhất, mà chúng ta đã thấy nó rồi. Vì vậy, mặc dù chúng tôi đã tìm thấy nó, nhưng ở đó, một nơi mà chúng tôi đang cố gắng giải mã.
TKF: Trên thực tế, thiên nhiên đang trở nên nhút nhát đến nỗi chúng ta thậm chí không biết các hạt vật chất tối trông như thế nào. Grey, thí nghiệm của bạn - ADMX - tìm kiếm một hạt khác hoàn toàn so với hạt mà Tali và Harry tìm kiếm. Tại sao vậy?
GRAY RYBKA: Như bạn nói, dự án của tôi - Axion Dark Matter eXperiment, hay ADMX, nghiên cứu về một loại hạt vật chất tối theo lý thuyết gọi là axion, cực kỳ nhẹ không tích điện cũng không quay. Harry và Tali tìm kiếm một loại vật chất tối khác gọi là WIMP, vì Hạt tương tác yếu tương tác yếu, mô tả một số hạt được lý thuyết hóa tương tác với thế giới của chúng ta rất yếu và rất hiếm.
Cả WIMP và axion đều là những ứng cử viên vật chất tối thực sự tốt. Họ đặc biệt tuyệt vời vì họ sẽ giải thích cả vật chất tối và những bí ẩn khác của vật lý cùng một lúc. Tôi cho rằng tôi thích axion vì có rất nhiều thí nghiệm tìm kiếm nó. Nếu tôi sẽ đánh bạc và dành nhiều thời gian để thực hiện một thử nghiệm để tìm kiếm thứ gì đó, thì tôi không muốn tìm kiếm thứ gì đó mà mọi người khác đang tìm kiếm.
Chúng tôi đã cập nhật thử nghiệm ADMX từ năm 2010 và đã chứng minh rằng chúng tôi có các công cụ cần thiết để xem các trục nếu chúng ở ngoài đó. ADMX là một thử nghiệm quét, trong đó chúng tôi quét các khối lượng khác nhau mà trục này có thể có, mỗi lần một. Tốc độ quét của chúng tôi phụ thuộc vào mức độ lạnh của chúng tôi có thể thực hiện thử nghiệm. Với Gen2, chúng tôi đã mua một chiếc tủ lạnh rất, rất mạnh sẽ đến vào tháng tới. Khi nó đến, chúng tôi sẽ có thể quét rất, rất nhanh và chúng tôi cảm thấy chúng tôi sẽ có cơ hội tìm kiếm các trục tốt hơn nhiều - nếu chúng xuất hiện ở đó.
TKF: Và Harry, tại sao bạn đặt cược vào WIMP?
NELON: Mặc dù tôi đặt cược vào WIMP, tôi cũng thích các loại rìu. Tôi thậm chí đã viết một số giấy tờ về axion cách trở lại khi. Nhưng những ngày này, như Gray nói, tôi tìm kiếm WIMP. Sự hợp tác của tôi hiện đang vận hành thử nghiệm Xenon lớn, hay LUX, thử nghiệm ở Black Hills nổi tiếng ở Nam Dakota, bên trong một mỏ khai thác của cơn sốt vàng năm 1876 hình thành nên thành phố Deadwood. Tháng này, chúng tôi bắt đầu hoạt động 12 tháng với LUX. Hiện tại, chúng tôi cũng cẩn thận phát triển các kế hoạch nâng cấp máy dò để làm cho nó nhạy hơn gấp 100 lần cho dự án LUX-ZEPLINE mới.
Nhưng nói thật với bạn, tôi thực sự có một chút thái độ rằng tất cả những khả năng này là không thể xảy ra. Tôi không nói rằng săn bắn chúng là vô giá trị; Đó không phải là tất cả. Nó chỉ là bản chất mà không phải tôn trọng những gì các nhà vật lý muốn. Chúng tôi mong muốn hiểu rõ hơn về sự tương tác mạnh mẽ của chính chúng ta, cơ chế chịu trách nhiệm cho lực hạt nhân mạnh giữ hạt nhân nguyên tử lại với nhau. Các axion sẽ giúp làm điều đó.
WIMP là tuyệt vời vì nó phù hợp với vật lý của Vụ nổ lớn một cách đơn giản. Rất nhiều khoa học dựa trên cái mà người ta gọi là Dao cạo Occam: Chúng tôi đưa ra các giả định đơn giản nhất có thể và sau đó kiểm tra chúng rất tốt, và chỉ từ bỏ sự đơn giản nếu chúng tôi thực sự cần. Tôi đã luôn cảm thấy rằng WIMP đơn giản hơn một chút so với axion. Cả hai đều không có khả năng, nhưng vẫn là những ứng cử viên tốt nhất chúng ta có thể nghĩ đến. Có lẽ nhiều khả năng vật chất tối có phần khác so với WIMP hoặc axion, nhưng chúng ta phải bắt đầu ở đâu đó và WIMP và axion là điểm khởi đầu tốt nhất chúng ta có thể tưởng tượng.
TKF: Nếu bạn nghĩ rằng nó không chắc là WIMP ở ngoài đó, tại sao bạn lại tìm nó?
NELON: WIMP và axion có động lực lý thuyết tuyệt đối tốt nhất. Và thật tuyệt vời khi cả WIMP và axion đều có những thử nghiệm thực sự mạnh mẽ sau họ.
FIGUEROA-FELICIANO: Là một nhà thực nghiệm, tôi nhận thấy điều này từ quan điểm rằng các nhà lý thuyết rất thông minh, và đã đưa ra một loạt các kịch bản có thể xảy ra đối với vật chất tối có thể xảy ra. Và, như Harry nói, chúng tôi cố gắng sử dụng Dao cạo Occam để cố gắng loại bỏ những thứ này có thể xảy ra hơn những thứ khác. Nhưng đó không phải là một cách không thể sai lầm để nói về nó. Vật chất tối có thể không tuân theo lời giải thích đơn giản nhất có thể. Vì vậy, chúng ta phải có một chút bất khả tri về nó.
Theo một cách nào đó, nó giống như tìm kiếm vàng. Harry có cái chảo của mình và anh ấy đang tìm vàng trong một cái ao sâu, và chúng tôi đang tìm kiếm trong một cái ao nông hơn một chút, và Gray Lũ ngược dòng một chút, nhìn vào vị trí của mình. Chúng tôi không biết ai sẽ đi tìm vàng vì chúng tôi không biết nó ở đâu.
Điều đó nói rằng, tôi nghĩ nó rất quan trọng để nhấn mạnh ba tìm kiếm này bổ sung như thế nào. Cùng nhau, chúng ta nhìn vào rất nhiều nơi có thể có vật chất tối. Nhưng chúng tôi chắc chắn don don bao gồm tất cả các tùy chọn. Như Harry nói, có thể có vật chất tối ở đó, nhưng ba thí nghiệm của chúng tôi sẽ không bao giờ nhìn thấy gì vì chúng tôi đang nhìn nhầm chỗ - nó có thể ở một ngã ba sông khác, nơi chúng tôi thậm chí chưa bắt đầu tìm kiếm .
Nhìn chung, năng lượng tối được cho là đóng góp 73 phần trăm khối lượng và năng lượng trong vũ trụ. 23 phần trăm khác là vật chất tối, chỉ còn lại 4 phần trăm vũ trụ gồm các vật chất thông thường, như các ngôi sao, hành tinh và con người. Biểu đồ hình tròn qua NASA
RYBKA: Tôi nhìn nó một cách lạc quan hơn một chút. Mặc dù như Tali cho biết tất cả các thí nghiệm có thể đang tìm kiếm ở vị trí hoàn toàn sai, nhưng cũng có thể là tất cả họ đều tìm thấy vật chất tối. Ở đó, không có gì có thể đòi hỏi vật chất tối chỉ được tạo thành từ một loại hạt ngoại trừ chúng tôi hy vọng rằng nó HẠNH PHÚC đơn giản như vậy. Vật chất tối có thể là một phần ba trục, một phần ba WIMP nặng và một phần ba WIMP nhẹ. Điều đó sẽ hoàn toàn được phép từ mọi thứ chúng tôi đã thấy.
FIGUEROA-FELICIANO: Tôi đồng ý. Tôi nên nói rằng cái nugget vàng mà chúng tôi đang tìm kiếm là một thứ rất có giá trị. Vì vậy, mặc dù việc tìm kiếm rất khó khăn, nhưng nó đáng giá vì chúng tôi đang tìm kiếm một thứ rất có giá trị: để hiểu vật chất tối được tạo ra từ đâu và khám phá một phần mới của vũ trụ của chúng ta. Có một giải thưởng rất đẹp khi kết thúc cuộc tìm kiếm này, vì vậy, nó hoàn toàn xứng đáng.
TKF: Tali, hãy kể cho chúng tôi nghe một chút về cái ao nơi bạn đang lo sợ vì thứ vật chất tối rất quý giá đó.
FIGUEROA-FELICIANO: Thí nghiệm của tôi hiện đang chạy ở Soudan, Minnesota, bên trong một mỏ mà cách đó hơn nửa km (ở độ cao 2.341 feet) dưới lòng đất. Thí nghiệm này, được gọi là SuperCDMS Soudan, được thiết kế để chứng minh một công nghệ mới mà chúng tôi đã phát triển cho phép chúng tôi tìm kiếm các WIMP ở phía khối lượng nhẹ hơn. Nó chỉ ra rằng một số lớp WIMP nhất định, những lớp nhẹ hơn Harry tìm kiếm, gửi rất ít năng lượng vào các máy dò. Các máy dò của chúng tôi có thể phân biệt một lượng rất nhỏ năng lượng lắng đọng trong máy dò với tất cả các tín hiệu khác nhau mà chúng tôi nhận được từ các vật liệu phóng xạ, tia vũ trụ và tất cả các loại khác truyền qua máy dò của chúng tôi. Có thể tạo ra sự tách biệt đó là rất quan trọng, cả cho SuperCDMS và LZ.
Bước tiếp theo cho thí nghiệm của chúng tôi được gọi là SuperCDMS SNOLAB. SNOLAB là một mỏ niken ở Canada sâu 2 km (6.531 feet).Chúng tôi đã được phê duyệt để xây dựng một thử nghiệm hoàn toàn mới ở đó để tìm kiếm các WIMP có khối lượng thấp này. Ngoài ra, nếu LUX hoặc LZ thấy WIMP có khối lượng cao hơn, chúng tôi sẽ có thể kiểm tra phép đo đó. Ngay bây giờ, chúng tôi đã trong quá trình hoàn thiện thiết kế và thực hiện những bước đầu tiên để đưa thí nghiệm SNOLAB hoàn toàn mới này lại với nhau. Chúng tôi hy vọng sẽ có một giai đoạn đầu tiên của máy dò trong vài năm tới.
TKF: Nếu một trong những thí nghiệm của bạn tìm thấy bằng chứng về vật chất tối, sau rượu sâm banh nổi tiếng, bước tiếp theo sẽ là gì?
RYBKA: Chai nó và bán nó, tôi đoán! Nhưng thực sự, tôi đã nói rằng tất cả các thí nghiệm sẽ cần phải tiếp tục ngay cả sau khi phát hiện ra điều đó, cho đến khi ai đó có thể chứng minh một cách thuyết phục rằng vật chất tối được phát hiện chiếm 100% tất cả vật chất tối trong vũ trụ.
NELON: Tôi đồng ý với điều đó. Chúng tôi cũng sẽ cần phải đào sâu và thực sự cố gắng để hiểu những gì chúng tôi đã khám phá. Có một câu nói cũ trong vật lý hạt mà bạn trú ẩn đã phát hiện ra một hạt cho đến khi bạn biết khối lượng, độ xoáy và tính chẵn lẻ của nó, một tính chất quan trọng trong mô tả cơ học lượng tử của một hệ vật lý. Để thực sự khám phá ra vật chất tối, chúng ta cần phải chứng minh rằng đó là những gì chúng ta nghĩ, và chúng ta cần phải tìm hiểu các đặc điểm của nó. Sau khi bạn phát hiện ra một hạt, mọi người sẽ thông minh hơn rất nhiều về việc phải làm gì với nó. Điều này đã xảy ra với boson Higgs gần đây. Mọi người ở Máy Va chạm Hadron Lớn ngày càng thông minh hơn vì bây giờ họ đã nhìn thấy hạt, họ có thể tập trung vào việc thẩm vấn nó.
Khi chúng tôi bắt đầu làm điều đó với vật chất tối, chúng tôi sẽ thấy một cái gì đó mới. Đó là cách mà tiến bộ khoa học làm việc. Ngay bây giờ, chúng ta có thể nhìn thấy bức tường bởi vì chúng ta đã tìm ra bức tường được làm từ gì. Nhưng một khi chúng ta hiểu được những gì trên tường - sự tương tự của tôi đối với vật chất tối - chúng ta sẽ nhìn xuyên qua nó và xem điều tiếp theo.
FIGUEROA-FELICIANO: Hãy để tôi thêm hai xu của tôi vào đó. Có ba điều khác nhau mà tôi nghĩ sẽ xảy ra nếu một trong những thí nghiệm của chúng tôi thấy bằng chứng thuyết phục cho vật chất tối. Đầu tiên, chúng tôi muốn xác nhận khám phá bằng một kỹ thuật khác. Nói cách khác, chúng tôi sẽ muốn xác nhận nhiều nhất có thể trước khi chúng tôi tuyên bố chiến thắng.
Sau đó, mọi người sẽ đưa ra 100 cách khác nhau để kiểm tra các thuộc tính của hạt, như Harry mô tả. Sau đó, một giai đoạn của thiên văn học vật chất tối tối Tử sẽ giúp chúng ta tìm hiểu vai trò của hạt bụi trong vũ trụ. Chúng tôi sẽ muốn đo xem nó sẽ đi nhanh như thế nào, nó có bao nhiêu, nó hoạt động như thế nào trong một thiên hà.
TKF: Có rất nhiều việc phải làm khi chúng ta tìm thấy dù chỉ một loại hạt vật chất tối. Nhưng có vẻ như có thể có một sở thú hoàn toàn mới của các hạt tối. Bạn có nghĩ rằng chúng tôi sẽ cần một mô hình tiêu chuẩn tối Dark không?
NELON: Tôi đã thường có suy nghĩ như sau: Ở đây chúng ta, trong 15 phần trăm của chúng ta trong vũ trụ, tự hỏi vật chất tối là gì. Nếu vật chất tối phức tạp như chúng ta, nó thậm chí có thể không biết rằng chúng ta tồn tại. Chúng tôi chỉ chiếm 15% thiểu số này, nhưng bằng cách nào đó chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi rất quan trọng. Nhưng các thí nghiệm được thực hiện bởi vật chất tối thậm chí có thể không biết rằng chúng ta tồn tại bởi vì chúng ta có một sự nhiễu loạn nhỏ hơn nhiều trên thế giới vật chất tối hơn thế giới tối hơn là vật chất tối đối với chúng ta.
Lĩnh vực vật chất tối có thể phức tạp - hoặc thậm chí phức tạp gấp năm lần - như của chúng ta. Giống như chúng ta đã tạo ra hầu hết các nguyên tử được tạo thành từ các electron và hạt nhân, có lẽ vật chất tối cũng vậy. Trong một số tìm kiếm cho WIMP, bạn phải cẩn thận về điều đó. Có thể là cách những thứ này tương tác với vấn đề của chúng ta khá khác so với trường hợp đơn giản nhất có thể mà chúng tôi đang tìm kiếm.
FIGUEROA-FELICIANO: Harry, nếu bạn định áp dụng dao cạo Occam vào vũ trụ của chúng ta, làm thế nào để nó có giá trị với Mô hình Chuẩn?
NELON: Chà, nó không làm tốt lắm. Mô hình chuẩn phức tạp hơn nhiều so với yêu cầu. Vì vậy, có lẽ điều tương tự cũng đúng với vật chất tối. Có lẽ có những photon tối ngoài kia. Ý tưởng thật thú vị. Với ADMX, Gray đang tìm kiếm một hạt có liên quan đến sự tương tác mạnh mẽ. Tali và tôi đang tìm kiếm một hạt có liên quan đến sự tương tác yếu. Và tìm kiếm các photon tối tìm kiếm mối quan hệ giữa tương tác điện từ và khu vực vật chất tối.
Cộng đồng thực sự muốn tìm ra vật chất tối. Có một cảm giác cấp bách về nó, và chúng tôi sẽ tìm kiếm nó theo tất cả các cách mà chúng ta có thể.
RYBKA: Đúng rồi. Với ADMX, chúng tôi chủ yếu tập trung vào trục, nhưng chúng tôi cũng tìm kiếm các photon tối ở khối lượng thấp hơn. Có những ứng cử viên vật chất tối mà mọi người thực sự, thực sự hào hứng, như các axion và WIMP. Những người có được các thí nghiệm được xây dựng dành riêng cho họ. Và sau đó, có những ý tưởng có thể tốt nhưng don don có khá nhiều động lực, như các photon tối. Mọi người vẫn tìm cách để kiểm tra những ý tưởng đó, thường là với các thử nghiệm hiện có.
TKF: Nó rõ ràng có rất nhiều nơi chúng ta có thể tìm thấy vật chất tối. Chúng tôi đang tìm kiếm vàng này bất cứ nơi nào chúng tôi có thể, nhưng chúng tôi không hoàn toàn chắc chắn rằng nó tồn tại ở bất cứ nơi nào chúng tôi tìm kiếm. Cái gì mà nó thích tìm kiếm thứ gì đó mà bạn có thể không bao giờ tìm thấy?
FIGUEROA-FELICIANO: Tôi nghĩ rằng những người làm việc trên vật chất tối có một tính cách nhất định, một chút của một người chơi cờ bạc. Chúng tôi dành cho các cổ phần cao, đặt tất cả các con chip vào. Có những lĩnh vực vật lý khác mà chúng tôi chắc chắn sẽ thấy một cái gì đó. Thay vào đó, chúng tôi chọn tìm kiếm thứ gì đó mà chúng tôi có thể không thực sự nhìn thấy. Tuy nhiên, nếu chúng ta nhìn thấy nó, thì đó là một thỏa thuận rất lớn.
Chúng tôi cực kỳ may mắn khi chúng tôi thực sự được trả tiền để cố gắng tìm ra vũ trụ được tạo nên từ cái gì. Đó là một điều vô cùng tuyệt vời.
NELON: Đôi khi tôi nghĩ về những gì nó phải giống như Columbus và phi hành đoàn của anh ta, hoặc những nhà thám hiểm lần đầu tiên đến cực Trái đất. Họ đã thoát ra giữa đại dương, hoặc trong băng, không chắc chắn điều gì sẽ đến tiếp theo. Nhưng họ đã đặt ra các mục tiêu: Ấn Độ và Trung Quốc cho Columbus, các cực cho những nhà thám hiểm đó. Chúng tôi cũng là những nhà thám hiểm, chúng tôi cũng đặt mục tiêu cho chính mình, để tìm kiếm sự nhạy cảm được xác định trước đối với vật chất tối. Chúng tôi đổi mới với công nghệ hiện đại để đạt được các mục tiêu cụ thể của chúng tôi. Và chúng ta có thể biến nó thành Thế giới mới hoặc Bắc Cực, và điều đó cực kỳ thú vị.
Suy ra sự phân bố vật chất tối chồng lên màu tím trên hình ảnh Kính viễn vọng Không gian Hubble của cụm thiên hà Abell 1689. Hình ảnh qua NASA, ESA, E. Jullo (JPL / LAM), P. Natarajan (Yale) & J-P. Kneib (LAM)
Điểm mấu chốt: Quỹ Kavli mời bạn tham gia hỏi đáp trực tiếp với các nhà khoa học ở khía cạnh hàng đầu của việc tìm kiếm vật chất tối vào ngày 20 tháng 11 năm 2014 và cung cấp nền tảng này cho các thí nghiệm vật chất tối thế hệ tiếp theo được bật đèn xanh vào tháng 7 năm ngoái .