Mengapa Anda bertaruh pada axion atau WIMP?
Jika Anda menemukan materi gelap, apa langkah selanjutnya?
Akankah kita membutuhkan "Model Standar Gelap" yang sama sekali baru?
Seperti apa rasanya mencari sesuatu yang mungkin tidak pernah Anda temukan?
Enectali Figueroa-Feliciano
Harry Nelson
Rybka abu-abu
Pada 20 November mulai jam 12 malam sampai 12:30 malam PST (20: 00-20: 30 UTC), Enectali Figueroa-Feliciano, Harry Nelson dan Gray Rybka akan menjawab pertanyaan Anda tentang generasi berikutnya dari percobaan materi gelap. Kirim pertanyaan Anda sebelum dan selama webcast dengan ing [email protected] atau dengan menggunakan tagar #KavliLive di atau Google+. Sementara itu, nikmati latar belakang tentang materi gelap ini - berdasarkan diskusi meja bundar dengan para ilmuwan ini - yang diproduksi oleh Kelen Tuttle dan Yayasan Kavli.
ENECTALI FIGUEROA-FELICIANO - Adalah anggota kolaborasi SuperCDMS dan profesor fisika di MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.
HARRY NELSON - Adalah pemimpin sains untuk percobaan LUX-ZEPLIN dan seorang profesor fisika di University of California, Santa Barbara.
GREY RYBKA - memimpin eksperimen ADMX Gen 2 sebagai co-juru bicara dan merupakan asisten profesor riset fisika di University of Washington.
YAYASAN KAVLI: Tiga eksperimen materi gelap generasi berikutnya - Axion Dark Matter eXperiment Gen 2, LUX-ZEPLIN dan Pencarian Dark Cryter Super Cryogenic di SNOLAB - mendapat lampu hijau untuk pendanaan pada bulan Juli 2014. Masing-masing setidaknya akan 10 kali lebih sensitif daripada detektor materi gelap hari ini. Kita tahu bahwa materi gelap lima kali lebih umum daripada materi biasa, dan kami dapat menyimpulkan bahwa gumpalan materi gelap membantu menyatukan gugusan galaksi. Jadi zat ini adalah bagian besar dari apa yang membentuk alam semesta kita dan bagian penting dari mengapa alam semesta kita terlihat seperti itu. Lalu, mengapa kita tidak bisa mengamatinya secara langsung? Apa yang menahan kami?
HARRY NELSON: Sebagian besar tantangannya adalah bahwa materi gelap tidak banyak berinteraksi dengan kita. Kita tahu bahwa materi gelap melewati galaksi kita sepanjang waktu, tetapi itu tidak mengganggu jenis materi yang kita buat.
Tetapi lebih dari itu, dark matter juga tidak berinteraksi dengan dirinya sendiri. Materi yang kita lihat di sekitar kita setiap hari berinteraksi dengan dirinya sendiri: Atom membentuk molekul, molekul membentuk kotoran, dan kotoran membentuk planet. Tapi bukan itu masalahnya dengan materi gelap. Materi gelap tersebar luas, dan tidak membentuk benda padat seperti yang biasa kita lakukan. Itu, dikombinasikan dengan fakta bahwa itu tidak sering berinteraksi dengan jenis materi kita, membuatnya sulit dideteksi.
ENECTALI FIGUEROA-FELICIANO: Apa yang Harry katakan benar sekali. Dalam benak saya, alam menjadi malu-malu. Ada sesuatu yang baru saja kita tidak mengerti tentang struktur internal tentang bagaimana alam semesta bekerja. Ketika para ahli teori menuliskan semua cara materi gelap dapat berinteraksi dengan partikel-partikel kita, mereka menemukan, untuk model paling sederhana, bahwa kita seharusnya sudah melihatnya. Jadi meskipun kami belum menemukannya, ada di sana, yang kami coba untuk memecahkan kode sekarang.
TKF: Faktanya, alam menjadi sangat malu sehingga kita bahkan belum tahu seperti apa partikel materi gelap. Gray, percobaan Anda - ADMX - mencari partikel yang berbeda sama sekali dari yang Tali dan Harry cari. Mengapa demikian?
GRY RYBKA: Seperti yang Anda katakan, proyek saya - the Axion Dark Matter eXperiment, atau ADMX - mencari jenis teoretis partikel materi gelap yang disebut axion, yang sangat ringan tanpa muatan listrik atau putaran. Harry dan Tali mencari berbagai jenis materi gelap yang disebut WIMP, untuk Weakly Interacting Massive Particle, yang menggambarkan sejumlah partikel berteori yang berinteraksi dengan dunia kita sangat lemah dan sangat jarang.
Baik WIMP dan axion adalah kandidat materi gelap yang sangat bagus. Mereka sangat hebat karena mereka akan menjelaskan materi gelap dan misteri fisika lainnya secara bersamaan. Saya kira saya suka axion karena tidak ada banyak percobaan yang mencarinya. Jika saya akan bertaruh dan menghabiskan banyak waktu untuk melakukan percobaan untuk mencari sesuatu, saya tidak ingin mencari sesuatu yang dicari orang lain.
Kami telah memperbarui percobaan ADMX sejak 2010 dan telah menunjukkan bahwa kami memiliki alat yang diperlukan untuk melihat aksial jika ada di luar sana. ADMX adalah eksperimen pemindaian, tempat kami memindai berbagai massa yang dapat dimiliki oleh axion ini, satu per satu. Seberapa cepat kita memindai tergantung pada seberapa dingin kita dapat melakukan percobaan. Dengan Gen2, kami membeli kulkas yang sangat kuat yang akan tiba bulan depan. Setelah tiba, kami akan dapat memindai dengan sangat, sangat cepat dan kami merasa kami akan memiliki peluang yang jauh lebih baik untuk menemukan axion - jika mereka ada di luar sana.
TKF: Dan, Harry, mengapa kamu bertaruh pada WIMP?
NELSON: Meskipun saya bertaruh pada WIMPs, saya juga suka aksial. Saya bahkan menulis beberapa makalah tentang axion pada saat itu. Tapi hari ini, seperti kata Gray, saya mencari WIMP. Kolaborasi saya saat ini mengoperasikan percobaan Large Underground Xenon, atau LUX, di Black Hills yang terkenal di South Dakota, di dalam sebuah tambang yang merupakan hasil dari demam emas tahun 1876 yang membentuk kota Deadwood. Bulan ini, kami mulai menjalankan 12 bulan kami dengan LUX. Kami juga sekarang dengan hati-hati mengembangkan rencana kami untuk meningkatkan detektor kami agar lebih dari 100 kali lebih sensitif untuk proyek LUX-ZEPLIN baru.
Tetapi sejujurnya, saya sebenarnya memiliki sedikit sikap bahwa semua kemungkinan ini tidak mungkin. Saya tidak mengatakan bahwa berburu untuk mereka tidak ada gunanya; sama sekali bukan itu. Hanya saja alam tidak harus menghargai apa yang diinginkan fisikawan. Kami ingin lebih memahami interaksi kuat kami sendiri, mekanisme yang bertanggung jawab atas gaya nuklir kuat yang menyatukan inti atom. Axion akan membantu melakukan itu.
WIMP sangat bagus karena konsisten dengan fisika Big Bang secara langsung. Banyak ilmu didasarkan pada apa yang disebut Pisau cukur Occam: Kami membuat asumsi sesederhana mungkin dan kemudian menguji mereka dengan sangat baik, dan hanya menyerah kesederhanaan jika kita benar-benar perlu. Saya selalu merasa bahwa WIMP sedikit lebih sederhana daripada axion. Keduanya tidak mungkin, tetapi masih kandidat terbaik yang bisa kita pikirkan. Kemungkinan besar dark matter agak berbeda dari WIMP atau axion, tetapi kita harus memulai suatu tempat dan WIMP dan axion adalah titik awal terbaik yang dapat kita bayangkan.
TKF: Jika Anda berpikir bahwa WIMP tidak mungkin ada di luar sana, mengapa Anda mencarinya?
NELSON: WIMP dan axion memiliki motivasi teoretis terbaik mutlak. Dan sangat bagus bahwa baik WIMP dan axion memiliki eksperimen yang sangat kuat untuk mengejar mereka.
FIGUEROA-FELICIANO: Sebagai seorang pencoba, saya sampai pada titik ini dari sudut pandang bahwa ahli teori sangat pandai, dan telah menghasilkan serangkaian skenario yang luar biasa untuk kemungkinan apa yang bisa menjadi materi gelap. Dan, seperti yang dikatakan Harry, kami berusaha menggunakannya Pisau cukur Occam untuk mencoba menyingkirkan mana dari hal-hal ini yang lebih mungkin daripada yang lain. Tapi itu bukan cara yang sempurna untuk melakukannya. Materi gelap mungkin tidak mengikuti penjelasan sesederhana mungkin. Jadi kita harus sedikit agnostik tentang hal itu.
Dengan cara itu seperti mencari emas. Harry memiliki wajannya dan dia mencari emas di kolam yang dalam, dan kami mencari di kolam yang sedikit lebih dangkal, dan Gray agak ke hulu, mencari di tempatnya sendiri. Kami tidak tahu siapa yang akan menemukan emas karena kami tidak tahu di mana itu.
Karena itu, saya pikir sangat penting untuk menekankan betapa komplementer ketiga pencarian ini. Bersama-sama, kita melihat di banyak tempat di mana materi gelap bisa berada. Tapi kami tentu saja tidak mencakup semua opsi. Seperti kata Harry, bisa jadi materi gelap itu ada di sana, tetapi tiga percobaan kita tidak akan pernah melihat apa pun karena kita melihat di tempat yang salah - itu bisa di persimpangan sungai yang lain, di mana kita bahkan belum mulai mencari. .
Secara keseluruhan, energi gelap dianggap berkontribusi 73 persen dari semua massa dan energi di alam semesta. 23 persen lainnya adalah materi gelap, yang hanya menyisakan 4 persen dari alam semesta yang tersusun dari materi biasa, seperti bintang, planet, dan manusia. Bagan pie melalui NASA
RYBKA: Saya melihatnya sedikit lebih optimis. Meskipun seperti yang dikatakan Tali, semua eksperimen dapat mencari di tempat yang sepenuhnya salah, mungkin juga mereka semua menemukan materi gelap. Tidak ada yang membutuhkan materi gelap untuk dibuat hanya dari satu jenis partikel kecuali kita berharap bahwa itu sesederhana itu. Dark matter bisa berupa sepertiga aksial, sepertiga WIMP berat dan sepertiga WIMP ringan. Itu akan diijinkan dengan sempurna dari semua yang kami lihat.
FIGUEROA-FELICIANO: Saya setuju. Saya seharusnya mengatakan bahwa nugget emas yang kami cari sangat berharga. Jadi meskipun pencarian itu sulit, itu bermanfaat karena kami sedang mencari hal yang sangat berharga: untuk memahami apa yang terbuat dari materi gelap dan untuk menemukan bagian baru dari alam semesta kita. Ada hadiah yang sangat indah di akhir pencarian ini, jadi ini sangat berharga.
TKF: Tali, beri tahu kami sedikit tentang kolam tempat Anda mendulang nugget materi gelap yang sangat berharga.
FIGUEROA-FELICIANO: Eksperimen saya saat ini berjalan di Soudan, Minnesota, di dalam sebuah tambang yang sedikit lebih dari setengah kilometer (pada 2.341 kaki) di bawah tanah. Eksperimen ini, yang disebut SuperCDMS Soudan, dirancang untuk menunjukkan teknologi baru yang kami kembangkan yang memungkinkan kami untuk mencari WIMP yang berada di sisi massa yang lebih ringan. Ternyata kelas-kelas WIMP tertentu, yang lebih ringan daripada yang dicari Harry, menyimpan sangat sedikit energi ke dalam detektor. Detektor kami dapat membedakan sejumlah kecil energi yang disimpan dalam detektor dari semua sinyal berbeda yang kami dapatkan dari bahan radioaktif, sinar kosmik, dan segala macam hal lain yang mengalir melalui detektor kami. Mampu membuat pemisahan itu sangat penting, baik untuk SuperCDMS dan untuk LZ.
Langkah selanjutnya untuk percobaan kami disebut SuperCDMS SNOLAB. SNOLAB adalah tambang nikel di Kanada yang dalamnya 2 kilometer (6.531 kaki).Kami telah disetujui untuk membuat percobaan baru di sana untuk mencari WIMP rendah massa ini. Juga, jika LUX atau LZ melihat WIMP massa yang lebih tinggi, kami akan dapat memeriksa pengukuran itu. Saat ini, kami sedang dalam proses menyelesaikan desain dan mengambil langkah pertama untuk menyatukan eksperimen SNOLAB baru ini. Kami berharap memiliki detektor tahap pertama dalam beberapa tahun mendatang.
TKF: Jika salah satu eksperimen Anda menemukan bukti materi gelap, setelah sampanye perayaan, apa langkah selanjutnya?
RYBKA: Botol dan jual, kurasa! Tetapi sungguh, saya akan mengatakan bahwa semua percobaan perlu terus berjalan bahkan setelah penemuan seperti itu, sampai seseorang dapat secara meyakinkan membuktikan bahwa materi gelap yang ditemukan membentuk 100 persen dari semua materi gelap di alam semesta.
NELSON: Saya setuju dengan itu. Kami juga perlu menggali dan benar-benar mencoba memahami apa yang kami temukan. Ada pepatah lama dalam fisika partikel bahwa Anda belum menemukan partikel sampai Anda mengetahui massa, putaran, dan paritasnya, properti yang penting dalam deskripsi mekanika kuantum dari sistem fisik. Untuk benar-benar menemukan materi gelap, kita perlu membuktikan bahwa itu adalah apa yang kita pikirkan, dan kita perlu mempelajari karakteristiknya. Setelah Anda menemukan sebuah partikel, semua orang menjadi jauh lebih pintar tentang apa yang harus dilakukan dengannya. Ini telah terjadi dengan boson Higgs belakangan ini. Orang-orang di Large Hadron Collider menjadi lebih pintar karena sekarang setelah mereka melihat partikelnya, mereka dapat fokus menginterogasinya.
Ketika kami mulai melakukannya dengan materi gelap, kami akan melihat sesuatu yang baru. Itulah cara kerja kemajuan ilmiah. Saat ini, kami tidak dapat melihat menembus dinding karena kami belum mengetahui dari apa dinding itu dibuat. Tapi begitu kita memahami apa yang ada di dinding - analogi saya untuk materi gelap - kita akan melihatnya dan melihat ke hal berikutnya.
FIGUEROA-FELICIANO: Biarkan saya menambahkan dua sen saya untuk itu. Ada tiga hal berbeda yang saya pikir akan terjadi jika salah satu percobaan kami melihat bukti yang meyakinkan untuk materi gelap. Pertama, kami ingin mengkonfirmasi penemuan menggunakan teknik yang berbeda. Dengan kata lain, kita akan menginginkan konfirmasi sebanyak mungkin sebelum kita mengumumkan kemenangan.
Kemudian, orang akan menemukan 100 cara berbeda untuk menguji sifat partikel, seperti yang dijelaskan Harry. Setelah itu, fase "astronomi materi gelap" akan membantu kita mempelajari peran partikel di alam semesta. Kami ingin mengukur seberapa cepat ia berjalan, seberapa banyak ada, bagaimana berperilaku di galaksi.
TKF: Jelas banyak yang harus dilakukan setelah kami menemukan hanya satu jenis partikel materi gelap. Tapi sepertinya ada kebun binatang partikel gelap yang baru. Apakah Anda pikir kami akan membutuhkan "Model Standar Gelap"?
NELSON: Saya sering memiliki pemikiran berikut: Di sinilah kita, di dalam 15 persen materi kita di alam semesta, yang bertanya-tanya apa itu materi gelap. Jika materi gelap adalah serumit kita, ia mungkin bahkan tidak tahu bahwa kita ada. Kami hanya minoritas ini 15 persen, tetapi entah bagaimana kami pikir kami sangat penting. Tetapi percobaan yang dilakukan oleh materi gelap bahkan mungkin tidak tahu bahwa kita ada karena kita jauh lebih kecil gangguannya pada dunia materi gelap daripada materi gelap yang ada pada kita.
Sektor materi gelap mungkin sama rumitnya - atau bahkan mungkin lima kali lebih rumit - seperti milik kita. Sama seperti kita kebanyakan terbuat dari atom yang terbuat dari elektron dan inti, mungkin materi gelap juga. Dalam beberapa pencarian untuk WIMP, Anda harus berhati-hati tentang hal itu. Mungkin cara hal-hal ini berinteraksi dengan masalah kita agak berbeda dari kasus paling sederhana yang kita cari.
FIGUEROA-FELICIANO: Harry, jika kamu menerapkan silet Occam ke alam semesta kita, bagaimana harganya dengan Model Standar?
NELSON: Ya, itu tidak bekerja dengan baik. Model Standar jauh lebih kompleks daripada yang seharusnya. Jadi mungkin hal yang sama berlaku untuk materi gelap. Mungkin bahkan ada foton gelap di luar sana. Idenya menarik. Dengan ADMX, Gray mencari partikel yang ada hubungannya dengan interaksi yang kuat. Tali dan saya mencari partikel yang berkaitan dengan interaksi yang lemah. Dan mencari foton gelap mencari hubungan antara interaksi elektromagnetik dan sektor materi gelap.
Masyarakat benar-benar ingin mengetahui materi gelap. Ada perasaan urgensi tentangnya, dan kami akan mencarinya dengan segala cara yang kami bisa.
RYBKA: Itu benar. Dengan ADMX, kami sebagian besar berfokus pada axion, tetapi kami juga mencari foton gelap pada massa yang lebih rendah. Ada kandidat materi gelap yang orang benar-benar bersemangat, seperti axion dan WIMPs. Mereka membuat eksperimen yang didedikasikan untuk mereka. Dan kemudian ada ide-ide yang mungkin bagus tetapi tidak memiliki motivasi yang cukup banyak, seperti foton gelap. Orang-orang masih mencari cara untuk menguji ide-ide itu, seringkali dengan eksperimen yang ada.
TKF: Jelas ada berbagai tempat di mana kita bisa menemukan materi gelap. Kami mendulang emas ini di mana pun kami bisa, tetapi kami tidak sepenuhnya yakin bahwa itu ada di mana pun yang kami cari. Bagaimana rasanya mencari sesuatu yang mungkin tidak pernah Anda temukan?
FIGUEROA-FELICIANO: Saya berpikir bahwa orang-orang yang mengerjakan materi gelap memiliki kepribadian tertentu, sedikit sifat penjudi. Kami memilih taruhan tinggi, memasukkan semua chip. Ada bidang fisika lain di mana kami pasti akan melihat sesuatu. Sebaliknya, kami memilih untuk mencari sesuatu yang mungkin tidak benar-benar kita lihat. Namun, jika kita melihatnya, ini adalah masalah besar.
Kami sangat beruntung mendapatkan bayaran untuk mencoba mencari tahu dari apa alam semesta ini. Itu hal yang luar biasa.
NELSON: Terkadang saya berpikir bagaimana rasanya menjadi Columbus dan krunya, atau penjelajah yang pertama kali pergi ke kutub bumi. Mereka berada di tengah lautan, atau di es, tidak yakin apa yang akan terjadi selanjutnya. Tetapi mereka telah menetapkan tujuan: India dan Cina untuk Columbus, kutub bagi para penjelajah. Kami juga penjelajah, kami juga menetapkan tujuan untuk diri sendiri, untuk mencari kepekaan yang telah ditentukan sebelumnya terhadap materi gelap. Kami berinovasi dengan teknologi modern untuk mencapai tujuan spesifik kami. Dan kita dapat menjadikannya Dunia Baru atau Kutub Utara, dan itu sangat menarik.
Distribusi materi gelap yang disimpulkan berwarna ungu di atas gambar Hubble Space Telescope dari gugusan galaksi Abell 1689. Gambar melalui NASA, ESA, E. Jullo (JPL / LAM), P. Natarajan (Yale) & J-P. Kneib (LAM)
Intinya: The Kavli Foundation mengundang Anda untuk tanya jawab langsung dengan para ilmuwan di ujung tombak pencarian materi gelap pada 20 November 2014 dan menawarkan latar belakang ini pada eksperimen materi gelap generasi berikutnya yang mendapat lampu hijau untuk pendanaan Juli lalu .