Jak nanowybuchowe mogą pomóc rozwiązać jedną z największych zagadek astrofizyki?

Jedną z wielkich tajemnic współczesnej astrofizyki jest natura ciemnej materii. Jest to tajemnicza rzecz, o której astrofizycy twierdzą, że musi istnieć, aby zapewnić siły grawitacyjne niezbędne do utrzymania razem galaktyk.

Ogólny konsensus jest taki, że we wszechświecie jest około pięć razy więcej ciemnej materii niż widocznej materii. A to rodzi oczywiste pytania: co to jest i jak możemy to wykryć?

Te pytania wywołały wśród fizyków wszechmocny wyścig w wykrywaniu ciemnej materii i mierzeniu jej cech. Ale wyniki ich eksperymentów są zagadkowe i sprzeczne. Niektóre laboratoria twierdzą, że wykryły te rzeczy, podczas gdy inne wydają się wykluczać taką możliwość.

Potrzebne jest oczywiście więcej danych z większej liczby detektorów. A dzisiaj Alejandro Lopez-Suarez z Uniwersytetu Michigan w Ann Arbor i kilku kumpli proponują nowy pomysł. Mają nadzieję wykryć ciemną materię na podstawie jej wpływu na materiały wybuchowe.

Ich plan polega na stworzeniu małych wybuchowych cząstek, które są wystarczająco czułe, by detonować po uderzeniu przez grudkę ciemnej materii. Po wykonaniu tej czynności fizycy siadają i czekają na kolejne fajerwerki.

Kluczową technologią stojącą za tym planem jest opracowanie granulek materiałów termitowych, które eksplodują w kontakcie z utleniaczem. Inżynierowie od dawna stosują granulki w skali mikronowej, ale w ostatnich latach zaczęli również opracowywać granulki w rozmiarze nano.

Zaangażowane materiały są stosunkowo proste. Nanocząstki mogą być wykonane z metalu, takiego jak aluminium lub iterb, a środkiem utleniającym może być coś tak prostego jak tlenek żelaza.

Przy wystarczającej ilości energii, aby uruchomić reakcję, metal nagrzewa się i reaguje, tworząc tlenek metalu. Kiedy [cząstka ciemnej materii] uderza w warstwę metalu, metal może nagrzać się wystarczająco, aby pokonać barierę energii chemicznej między metalem a tlenkiem metalu, powiedzmy Lopez-Suarez i spółka. Następuje eksplozja.

Konstrukcja takiego detektora jest również stosunkowo prosta. Składa się z dużej liczby izolowanych od siebie komórek. Każda komórka składa się z żelu utleniającego, w którym osadzone są nanocząsteczki metalu.

Pełny detektor potrzebowałby wielu komórek, być może 10^14 z nich, aby stworzyć docelowy bałagan, powiedzmy jeden kilogram lub więcej. Fizycy mogą obserwować, co się dzieje, nasłuchując wybuchów na bieżąco.

Ta konstrukcja ma wiele zalet w porównaniu z obecnymi detektorami. Po pierwsze, stosunkowo łatwo jest odróżnić cząstki ciemnej materii od szumu tła wytworzonego na przykład przez promieniowanie jonizujące.

Kiedy cząsteczka ciemnej materii uderza w nanocząsteczkę, nagrzewa się, wywołując mikroeksplozję. To podgrzewa inne nanocząsteczki znajdujące się w pobliżu, powodując reakcję łańcuchową, która rozprzestrzenia się w komórce. W rezultacie pojedyncza komórka w detektorze eksploduje.

Natomiast promieniowanie jonizujące, takie jak cząsteczka alfa, przeszłoby przez wiele komórek, powodując ich eksplozję. Tak więc sygnaturę wybuchu pojedynczej komórki można łatwo odróżnić od ścieżek utworzonych przez szum tła.

Kolejną zaletą jest to, że ten mechanizm reakcji łańcuchowej wzmacnia sygnał z pojedynczej cząsteczki ciemnej materii, co ułatwia jego dostrzeżenie. Ma również niski próg energii, który pozwala na wykrycie również stosunkowo lekkich cząstek ciemnej materii.

Ważnym pytaniem jest oczywiście to, czy taki detektor zadziała. Lopez-Suarez i spółka przeanalizowali liczby i ustalili, że nanocząstki aluminium lub iterbu osadzone w żelu utleniającym i utrzymywane w temperaturze ciekłego wodoru powinny całkiem dobrze załatwić sprawę.

To ciekawy pomysł. Następnym etapem byłoby rozpoczęcie testowania tych materiałów, aby zobaczyć, jak można je połączyć w prototypowy detektor. Interesującym problemem dla tej grupy jest to, jak wykonać taki detektor na powierzchni Ziemi, gdzie szum tła z promieniowania jonizującego będzie prawdopodobnie wysoki.

Wiele eksperymentów z ciemną materią jest prowadzonych w głębokich podziemnych kopalniach właśnie z tego powodu. Ten nowy może również wymagać umieszczenia pod ziemią i prawdopodobnie tam również wyprodukowany.

Obecnie istnieje duże zainteresowanie nowymi typami detektorów ciemnej materii. W zeszłym roku przyjrzeliśmy się projektowi komory śledzącej DNA, która wykrywa cząsteczki ciemnej materii na podstawie wpływu, jaki wywierają na pojedyncze nici DNA.

To kolejne równie innowacyjne podejście. Ciekawie będzie zobaczyć, czy któryś z nich ujrzy światło dzienne (że tak powiem, kaszel).

Nr ref.: http://arxiv.org/abs/1403.8115 : Nowe detektory ciemnej materii wykorzystujące materiały wybuchowe w nanoskali

ukryć