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I ricercatori suggeriscono di riutilizzare i sensori da tavolo per cercare la materia oscura

Credito: dominio pubblico CC0

Gli scienziati sono sicuri che la materia oscura esista. Tuttavia, dopo più di 50 anni di ricerche, avevano ancora prove dirette della misteriosa sostanza.


Swati Singh dell’Università del Delaware fa parte di un piccolo gruppo di ricercatori della comunità della materia oscura che stanno iniziando a chiedersi se stanno cercando il giusto tipo di materia oscura.

“E se la materia oscura fosse molto più leggera di quanto stanno cercando i tradizionali esperimenti di fisica delle particelle?” Said Singh, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica all’UD.

Ora, Singh, Jack Manley, uno studente di dottorato presso la DVD University, e collaboratori dell’Università dell’Arizona e dell’Haverford College hanno proposto un nuovo modo per cercare particelle che potrebbero formare materia oscura riutilizzando la tecnologia di rilevamento dei tablet esistente. Il team ha recentemente riportato il proprio approccio in un documento pubblicato su Lettere di revisione fisica.

I coautori del documento sono Dalziel Wilson, professore associato di scienze ottiche dell’Arizona, Mitul Dey Chowdhury, studente di dottorato presso l’Arizona State, e Daniel Grin, professore associato di fisica all’Haverford College.

Niente è normale

Singh ha spiegato che se raccogli tutte le cose che emettono luce, come stelle, pianeti e gas interstellare, rappresenta solo circa il 15% della materia nell’universo. L’altro 85% è noto come materia oscura. Non emette luce, ma i ricercatori sanno che esiste grazie agli effetti della gravità. Sanno anche che non è materia ordinaria, come gas, polvere, stelle, pianeti e noi.

“Potrebbe consistere in buchi neri, o potrebbe consistere in qualcosa di trilioni di volte più piccolo di un elettrone, noto come materia molto oscura”, ha detto Singh, un teorico quantistico noto per i suoi sforzi pionieristici per spingere avanti la materia oscura meccanica. svelare.

Una possibilità è che la materia oscura sia composta da fotoni oscuri, un tipo di materia oscura che eserciterebbe una debole forza vibratoria sulla materia ordinaria, facendo muovere la particella avanti e indietro. Tuttavia, poiché la materia oscura è onnipresente, esercita questa forza su tutto, rendendo questo movimento difficile da misurare.

Singh e i suoi colleghi hanno affermato di ritenere di poter superare questo ostacolo utilizzando accelerometri ottici meccanici come sensori per rilevare e amplificare questa oscillazione.

“Se la forza dipende dal materiale, utilizzando due oggetti fatti di materiali diversi, la quantità imposta su di loro sarà diversa, il che significa che sarai in grado di misurare questa differenza di accelerazione tra i due materiali”, ha detto Manley, presidente di la carta. autore.

Wilson, un esperto sperimentale quantistico e uno dei collaboratori del team UD, ha paragonato un accelerometro ottico-meccanico a un diapason in miniatura. “È un dispositivo vibratorio che, a causa delle sue piccole dimensioni, è molto sensibile ai disturbi ambientali”, ha detto.

Ora, i ricercatori hanno proposto un esperimento utilizzando una membrana in nitruro di silicio e uno specchio fisso di berillio per far rimbalzare la luce tra le due superfici. Se la distanza tra i due materiali fosse cambiata, i ricercatori avrebbero saputo dalla luce riflessa che erano presenti fotoni scuri perché il silicio e il nitruro di berillio avevano proprietà fisiche diverse.

La collaborazione è stata una parte fondamentale dello sviluppo del design dell’esperienza, secondo Manley. Lui e Singh (i teorici) hanno lavorato con Wilson e Dai Choudhury (sperimentatori) sui calcoli teorici che sono entrati nel progetto dettagliato per la costruzione del sensore di accelerazione da tavolo proposto. Nel frattempo, il cosmologo Green ha contribuito a far luce su aspetti della fisica delle particelle della materia oscura estremamente leggera, come il motivo per cui è così leggera, perché potrebbe legarsi alla materia in modo diverso e come potrebbe essere prodotta.

Come teorico, Manley ha affermato che l’opportunità di saperne di più su come funzionano i dispositivi e su come gli sperimentatori costruiscono le cose per dimostrare che le teorie che lui e Singh hanno sviluppato hanno approfondito la sua esperienza e allo stesso tempo ampliato la sua esposizione a potenziali percorsi di carriera.

Rilevare la materia oscura

Jack Manley (a sinistra) è uno studente di dottorato presso la DVD University e Swati Singh è un assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica presso il College of Engineering. Credito: Evan Crippe, fotomontaggio di Geoffrey C. Chase

Una gamma di lavoro crescente

Soprattutto, questo ultimo lavoro si basa su una ricerca pubblicata in precedenza dai team che hanno collaborato, che è stata segnalata la scorsa estate in Lettere di revisione fisica. Il documento, che includeva i contributi di un ex studente laureato presso l’Università della California, Russell Stamp, ha mostrato che molti dispositivi su scala di laboratorio corrente e vicina sono abbastanza sensibili da rilevare o escludere potenziali particelle che potrebbero essere materia oscura molto leggera.

La ricerca ha riportato che alcuni tipi di materia oscura estremamente leggera potrebbero legarsi, o accoppiarsi, con la materia naturale in un modo che causerebbe un cambiamento ciclico nelle dimensioni degli atomi. Sebbene possa essere difficile notare piccole fluttuazioni nelle dimensioni di un singolo atomo, l’effetto è amplificato in un oggetto costituito da molti atomi e un’ulteriore amplificazione può essere ottenuta se quell’oggetto è acusticamente risonante. La collaborazione ha valutato le prestazioni di diversi risonatori realizzati con una varietà di materiali che vanno dall’elio ultra fluido allo zaffiro monocristallino e ha scoperto che questi sensori potrebbero essere utilizzati per rilevare il segnale di stress causato dalla materia oscura.

Entrambi i progetti sono stati in parte supportati dal finanziamento di Singh della National Science Foundation per esplorare idee emergenti sull’utilizzo di dispositivi quantistici all’avanguardia per scoprire fenomeni astrofisici utilizzando tecnologie desktop più piccole e meno costose di altri metodi.

Insieme, ha detto Singh, questi documenti ampliano il lavoro su ciò che è noto sui possibili metodi di rilevamento della materia oscura e suggeriscono la possibilità di una nuova generazione di esperimenti da tavolo.

Singh e Manley stanno anche lavorando con altri gruppi sperimentali per sviluppare sensori aggiuntivi sul tavolo per cercare tale materia oscura o altri deboli segnali astrofisici. Stanno anche attivamente sviluppando discussioni più ampie su questo argomento all’interno Materia oscura E società di sensori quantistici.

Ad esempio, Singh ha recentemente discusso gli sviluppi dei dispositivi di trasformazione nei rivelatori di fisica delle particelle in un ipotetico workshop organizzato dal Comitato di coordinamento CPAD del Dipartimento dell’Energia. Questi risultati sono stati presentati anche in un seminario speciale durante la riunione di aprile dell’American Physical Society.

“È un momento emozionante e sto imparando molte domande che scienziati di varie origini hanno posto in tali seminari”, ha detto Singh. “Ma vale la pena notare che le mie idee di ricerca più originali provengono ancora da domande poste da studenti curiosi”.


Cerca la materia oscura numerica utilizzando risonatori meccanici incorporati


maggiori informazioni:
Jack Manley et al. Cerca il vettore della materia oscura utilizzando un accelerometro meccanico ottico, Lettere di revisione fisica (2021). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.061301

Introduzione di
Università del Delaware

la citazione: I ricercatori propongono di riutilizzare i sensori desktop per la ricerca di materia oscura (2021, 5 maggio) Estratto il 5 maggio 2021 da https://phys.org/news/2021-05-repurposing-tabletop-sensors-dark.html

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