Kā nanosprāgstvielas varētu palīdzēt atrisināt vienu no lielākajiem astrofizikas noslēpumiem

Viens no lielākajiem mūsdienu astrofizikas noslēpumiem ir tumšās matērijas daba. Šī ir noslēpumaina lieta, kurai, pēc astrofiziķu domām, ir jābūt, lai nodrošinātu gravitācijas spēkus, kas nepieciešami galaktiku noturēšanai.

Vispārējā vienprātība ir tāda, ka Visumā ir apmēram piecas reizes vairāk tumšās matērijas nekā redzamās matērijas. Un tas rada acīmredzamus jautājumus: kas tas ir un kā mēs varam to atklāt?

Šie jautājumi ir izraisījuši visvarenās sacensības starp fiziķiem, lai atklātu tumšo vielu un izmērītu tās īpašības. Taču viņu eksperimentu rezultāti ir mulsinoši un pretrunīgi. Dažas laboratorijas apgalvo, ka ir atklājušas lietas, savukārt citas, šķiet, izslēdz iespēju.

Protams, ir nepieciešams vairāk datu no lielāka detektoru daudzveidības. Un šodien Alehandro Lopess-Suaress no Mičiganas Universitātes Annārborā un daži draugi ierosina jaunu ideju. Viņi cer atklāt tumšo vielu pēc tās ietekmes uz sprāgstvielām.

Viņu plāns ir radīt nelielas sprādzienbīstamas daļiņas, kas ir pietiekami jutīgas, lai uzspridzinātos, ja tām nonāktu tumšās vielas gabals. To izdarījuši, fiziķi apsēžas un gaida sekojošo uguņošanu.

Galvenā šī plāna tehnoloģija ir termīta materiālu granulu izstrāde, kas eksplodē, nonākot saskarē ar oksidētāju. Inženieri jau sen ir izmantojuši mikronu mēroga granulas, bet pēdējos gados viņi ir sākuši izstrādāt arī nano izmēra granulas.

Iesaistītie materiāli ir salīdzinoši vienkārši. Nanodaļiņas var izgatavot no metāla, piemēram, alumīnija vai iterbija, un oksidētājs var būt kaut kas tik vienkāršs kā dzelzs oksīds.

Ja reakcijai ir pietiekami daudz enerģijas, metāls uzsilst un reaģē, veidojot metāla oksīdu. Kad [tumšās vielas daļiņa] ietriecas metāla slānī, metāls var pietiekami uzkarst, lai pārvarētu ķīmiskās enerģijas barjeru starp metālu un metāla oksīdu, saka Lopess-Suaress un citi. Rezultātā notiek sprādziens.

Arī tāda kā detektora dizains ir salīdzinoši vienkāršs. To veido liels skaits šūnu, kas ir izolētas viena no otras. Katra šūna sastāv no oksidējoša gēla, kurā ir iestrādātas metāla nanodaļiņas.

Pilnam detektoram būtu vajadzīgas daudzas šūnas, iespējams, 10^14 no tām, lai radītu, piemēram, vienu kilogramu smagu mērķi. Fiziķi var vērot notiekošo, klausoties sprādzienus, kad tie notiek.

Šim dizainam ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar pašreizējiem detektoriem. Pirmais ir tas, ka ir salīdzinoši viegli atšķirt tumšās vielas daļiņas no, piemēram, jonizējošā starojuma radītā fona trokšņa.

Kad tumšās vielas daļiņa ietriecas nanodaļiņā, tā uzkarst, izraisot mikrosprādzienu. Tas uzkarsē citas tuvumā esošās nanodaļiņas, izraisot ķēdes reakciju, kas izplatās pa šūnu. Rezultāts ir tāds, ka viena šūna detektorā eksplodē.

Turpretim jonizējošais starojums, piemēram, alfa daļiņa, izietu cauri daudzām šūnām, izraisot to visu eksploziju. Tātad vienas šūnas eksplozijas parakstu var viegli atšķirt no fona trokšņa radītajām pēdām.

Vēl viena priekšrocība ir tā, ka šis ķēdes reakcijas mehānisms pastiprina signālu no vienas tumšās vielas daļiņas, padarot to vieglāk pamanāmu. Un tam ir arī zems enerģijas slieksnis, kas ļauj noteikt arī salīdzinoši gaišās tumšās vielas daļiņas.

Svarīgs jautājums, protams, ir, vai šāds detektors darbosies. Lopess-Suaress un citi ir pārdomājuši skaitļus un noskaidrojuši, ka alumīnija vai iterbija nanodaļiņām, kas iestrādātas oksidējošā gēlā un noturot to šķidrā ūdeņraža temperatūrā, vajadzētu to paveikt diezgan labi.

Tā ir interesanta ideja. Nākamais posms būtu sākt šo materiālu testēšanu, lai noskaidrotu, kā tos varētu apvienot prototipa detektorā. Interesanta problēma šai grupai ir šāda detektora izgatavošana uz Zemes virsmas, kur jonizējošā starojuma radītais fona troksnis varētu būt augsts.

Daudzi tumšās vielas eksperimenti tiek glabāti dziļās pazemes raktuvēs tieši šī iemesla dēļ. Šo jauno, iespējams, arī vajadzēs izmitināt pazemē un, iespējams, arī tur ražot.

Šobrīd ir liela interese par jauniem tumšās vielas detektoru veidiem. Pagājušajā gadā mēs izskatījām dizainu, kas ietver DNS izsekošanas kameru, kas pamana tumšās vielas daļiņas pēc ietekmes uz atsevišķiem DNS pavedieniem.

Šī ir vēl viena tikpat novatoriska pieeja. Būs interesanti redzēt, vai kāds no viņiem ieraudzīs dienasgaismu (tā teikt, klepus).

Atsauce: http://arxiv.org/abs/1403.8115 : jauni tumšās vielas detektori, izmantojot nanomēroga sprāgstvielas

paslēpties