infos.ro

Scoaterea secretelor materiei întunecate dintr-o pălărie | Știri MIT

Fernanda Ferreira | School of Science,news.mit.edu

La primul etaj al Laboratorului de Științe Nucleare al MIT se află un instrument numit „Abordare în bandă largă/rezonantă a detectării axionilor cosmice cu un aparat inel de amplificare în câmp B” sau ABRACADABRA pe scurt. După cum spune și numele, scopul ABRACADABRA este de a detecta axionii, o particulă ipotetică care ar putea fi constituentul principal al materiei întunecate, materialul nevăzut și încă neexplicat care alcătuiește cea mai mare parte a universului.

Pentru Chiara Salemi, o studentă absolventă la fizică în al patrulea an în grupul lui Lindley Winslow, Jerrold R. Zacharias Carier Development Associate Professor of Physics, ABRACADABRA este instrumentul perfect pentru a lucra în timpul doctoratului. „Mi-am dorit un mic experiment, ca să pot face toate piesele diferite ale experimentului”, spune Salemi. ABRACADABRA, care constă dintr-un magnet extrem de bine ecranat, are dimensiunea unei mingi de baschet.

Disponibilitatea lui Salemi de a lucra la toate aspectele este unică. „Fizica experimentală are aproximativ trei componente: hardware, calcul și fenomenologie”, explică Winslow, cu studenții aplecând spre una dintre cele trei. „Afinitatea și punctele forte ale Chiarei sunt distribuite uniform în cele trei domenii”, spune Winslow. „O face o studentă deosebit de puternică.”

De la începutul doctoratului, Salemi a lucrat la orice, de la actualizarea circuitelor ABRACADABRA pentru a doua ediție până la analiza datelor instrumentului pentru a căuta primul semn al unei particule de materie întunecată.

Un accident fericit

Când Salemi a început facultatea, nu plănuia să urmeze fizica. „Înclinam spre știință, dar nu eram complet sigur de asta sau de ce domeniu din știință mi-aș dori.” În timpul primului ei semestru la Universitatea din Carolina de Nord din Chapel Hill, ea a urmat studii de fizică cu scopul de a determina dacă acesta ar putea fi un domeniu de care ar putea fi interesată. „Și apoi, m-am îndrăgostit total de el, pentru că am început a face cercetări, iar cercetarea este distractivă.”

De-a lungul carierei sale de licență, Salemi a colectat experiențe de cercetare. Ea a operat radiotelescoape în Virginia de Vest. Ea a petrecut un semestru la Geneva, Elveția, căutând dezintegrarea bosonului Higgs la Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară, mai cunoscută ca CERN. La Laboratorul Național Lawrence Berkeley, ea a lucrat cu designul semiconductorilor pentru detectarea neutrinilor. La una dintre aceste experiențe de cercetare, un program de vară la Fermilab din Illinois, a început să lucreze cu axionii. „Ca multe lucruri în viață, a fost un accident.”

Salemi a aplicat pentru programul de vară pentru că dorea să continue să lucreze la neutrini și „Fermilab este centrul tuturor lucrurilor cu neutrini”. Dar când a ajuns acolo, Salemi a aflat că a fost repartizată să lucreze la axions. „Am fost extrem de dezamăgit, dar am ajuns să mă îndrăgostesc de axioni, pentru că sunt cu adevărat interesante și diferite de alte experimente de fizică a particulelor.”

Particulele elementare din univers și forțele care le reglează interacțiunile sunt explicate de Modelul standard al fizicii particulelor. Numele infirmă importanța acestei teorii; Modelul Standard, care a fost dezvoltat la începutul anilor 1970, descrie aproape totul în lumea subatomică. „Dar există niște găuri uriașe”, spune Salemi. „Și una dintre aceste găuri uriașe este materia întunecată.”

Materia întunecată este materie pe care nu o putem vedea. Spre deosebire de materia normală, care interacționează cu lumina – absorbind-o, reflectând-o, emitând-o – materia întunecată nu interacționează sau doar abia interacționează cu lumina, făcând-o invizibilă atât pentru ochiul liber, cât și pentru instrumentele curente. Existența sa este dedusă din impactul său asupra materiei vizibile. În ciuda invizibilitatii sale, materia întunecată este mult mai abundentă, spune Salemi. „Există de cinci ori mai multă materie întunecată în univers decât materie normală.”

La fel ca omologul său vizibil, care este format din particule precum neutroni, protoni și electroni, materia întunecată este, de asemenea, formată din particule, dar fizicienii încă nu știu exact ce tipuri. Un candidat este axionul, iar ABRACADABRA a fost conceput pentru a-l găsi.

Mic, dar puternic

În comparație cu Large Hadron Collider al CERN, care este un instrument însărcinat cu detectarea particulelor propuse și are o circumferință de 26,6 mile, ABRACADABRA este minuscul. Pentru Salemi, instrumentul este reprezentativ pentru o nouă eră a fizicii de masă. Crearea de instrumente din ce în ce mai mari pentru a căuta particule din ce în ce mai evazive a fost strategia de bază, dar acestea au devenit din ce în ce mai scumpe. „Din cauza asta, oamenii vin cu tot felul de idei cu adevărat interesante despre cum să facă în continuare descoperiri, dar cu un buget mai mic”, spune Salemi.

Designul ABRACADABRA a fost dezvoltat în 2016 de trei teoreticieni: Jesse Thaler, profesor asociat de fizică; Benjamin Safdi, apoi MIT Pappalardo Fellow; și Yonatan Kahn PhD ’15, pe atunci student absolvent al Thaler’s. Winslow, un fizician experimental al particulelor, a luat acel design și și-a dat seama cum să-l transforme în realitate.

ABRACADABRA este compusă dintr-o serie de bobine magnetice în formă de toroid – imaginează-ți o gogoașă alungită – înfășurate într-un metal supraconductor și ținute la frigider în jurul valorii de zero absolut. Magnetul, despre care Salemi spune că este de dimensiunea unui grapefruit mare, generează un câmp magnetic în jurul toroidului, dar nu în gaura gogoșii. Ea explică că, dacă axioanele există și interacționează cu câmpul magnetic, un al doilea câmp magnetic va apărea în gaura gogoșii. „Ideea este că aceasta ar fi o regiune cu câmp zero, dacă nu există o axion.”

Poate dura 10 sau mai mulți ani pentru a lua un design teoretic pentru un experiment și a-l face operațional. Călătoria lui ABRACADABRA a fost mult mai scurtă. „Am trecut de la o lucrare teoretică publicată în septembrie 2016 la un rezultat în octombrie 2018”, spune Winslow. Geometria magnetului toroidal, spune Winslow, oferă o regiune de fundal natural joasă, gaura gogoșii, în care să căutați axioni. „Din păcate, am trecut prin partea ușoară și acum trebuie să reducem acele fundaluri deja scăzute”, spune Winslow. „Chiara a condus efortul de a crește sensibilitatea experimentului cu un factor de 10”, spune Winslow.

Pentru a detecta un al doilea câmp magnetic generat de un axion, aveți nevoie de un instrument incredibil de sensibil, dar și protejat de zgomotul extern. Pentru ABRACADABRA, acea ecranare provine din materialul supraconductor și din temperatura sa de frig. Chiar și cu aceste scuturi, ABRACADABRA poate detecta oamenii care merg în laborator și chiar poate ridica posturi de radio din Boston, Massachusetts. „De fapt, putem asculta postul din datele noastre”, spune Salemi. „Este ca cel mai scump radio.”

Dacă este detectat un semnal axion, Salemi și colegii vor încerca mai întâi să-l infirme, căutând toate sursele potențiale de zgomot și eliminându-le una câte una. Potrivit lui Salemi, detectarea materiei întunecate înseamnă premii, chiar și un premiu Nobel. „Deci nu publicați acest tip de rezultat fără să petreceți foarte mult timp pentru a vă asigura că este corect.”

Rezultatele primei runde a ABRACADABRA au fost publicate în martie 2019 în Scrisori de revizuire fizică de Salemi, Winslow și alții din Departamentul de Fizică al MIT. Nu au fost detectate axioane, dar cursa a evidențiat modificări pe care echipa le-ar putea face pentru a crește sensibilitatea instrumentului înainte de a doua execuție care a început în ianuarie 2020. „Lucrăm la configurarea, rularea și analizarea rundei 2 de aproximativ un an. și jumătate”, spune Salemi. În prezent, toate datele au fost colectate și grupul finalizează analiza. Rezultatele cărora vor fi publicate în cursul acestui an.

În timp ce pregătesc acele rezultate pentru publicare, Salemi și colegii ei se gândesc deja la următoarea generație de detectoare de axioni, numite DM Radios, pentru radiourile Dark Matter. Salemi spune că aceasta va fi o colaborare mult mai mare, cu mai multe institute, iar designul noului instrument este încă în curs de gândire, inclusiv decizia formei magnetului. „Avem două modele posibile: unul este în formă de gogoși, iar celălalt este în formă de cilindru.”

Căutarea axionilor a început în 1977, când au fost teoretizați pentru prima dată, iar din anii 1980, fizicienii experimentali au proiectat și îmbunătățit instrumente pentru detectarea acestei particule evazive. Pentru Salemi, ar fi uimitor să lucreze la axioane până la descoperirea lor, deși nimeni nu poate prezice când se poate întâmpla asta. „Dar, ai văzut materia întunecată axională experimentală de masă mică de la început până la sfârșit? Asta aș putea face”, spune ea. “Degete încrucișate.”

Sursa articol

You might also like