211service.com
Hoe nano-explosieven kunnen helpen bij het oplossen van een van de grootste mysteries van de astrofysica
Een van de grote mysteries van de moderne astrofysica is de aard van donkere materie. Dit is het mysterieuze spul waarvan astrofysici zeggen dat het moet bestaan om de zwaartekracht te leveren die nodig is om sterrenstelsels bij elkaar te houden.
De algemene consensus is dat er ongeveer vijf keer zoveel donkere materie is als zichtbare materie in het universum. En dit roept voor de hand liggende vragen op: wat is dit spul en hoe kunnen we het detecteren?
Deze vragen hebben geleid tot een almachtige race onder natuurkundigen om donkere materie te detecteren en de kenmerken ervan te meten. Maar de resultaten van hun experimenten zijn raadselachtig en tegenstrijdig. Sommige laboratoria beweren het spul te hebben gedetecteerd, terwijl anderen de mogelijkheid lijken uit te sluiten.
Wat natuurlijk nodig is, zijn meer gegevens van een grotere verscheidenheid aan detectoren. En vandaag stellen Alejandro Lopez-Suarez van de Universiteit van Michigan in Ann Arbor en een paar vrienden een nieuw idee voor. Ze hopen donkere materie op te sporen door het effect dat het heeft op explosieven.
Hun plan is om kleine explosieve deeltjes te creëren die gevoelig genoeg zijn om te ontploffen wanneer ze worden geraakt door een klomp donkere materie. Nadat ze dit hebben gedaan, leunen de natuurkundigen achterover en wachten op het daaropvolgende vuurwerk.
De belangrijkste technologie achter dit plan is de ontwikkeling van korrels van thermietmaterialen die exploderen wanneer ze in contact komen met een oxidatiemiddel. Ingenieurs gebruiken al lang korrels op micronschaal, maar de laatste jaren zijn ze ook begonnen met het ontwikkelen van korrels op nanoschaal.
De gebruikte materialen zijn relatief eenvoudig. De nanodeeltjes kunnen gemaakt zijn van een metaal zoals aluminium of ytterbium en het oxidatiemiddel kan zoiets eenvoudigs zijn als ijzeroxide.
Bij voldoende energie om de reactie op gang te brengen, warmt het metaal op en reageert het om een metaaloxide te vormen. Wanneer een [deeltje donkere materie] de metaallaag raakt, kan het metaal voldoende opwarmen om de chemische energiebarrière tussen het metaal en metaaloxide te overwinnen, zeggen Lopez-Suarez en co. Een explosie is het gevolg.
Het ontwerp van een dergelijke detector is ook relatief eenvoudig. Het bestaat uit een groot aantal cellen die van elkaar geïsoleerd zijn. Elke cel bestaat uit een oxiderende gel waarin metalen nanodeeltjes zijn ingebed.
Een volledige detector zou veel cellen nodig hebben, misschien 10^14 van hen, om een doelpuinhoop te creëren van pakweg een kilogram of zo. De natuurkundigen kunnen kijken wat er gebeurt door te luisteren naar de explosies terwijl ze plaatsvinden.
Dit ontwerp heeft een aantal voordelen ten opzichte van huidige detectoren. De eerste is dat het relatief eenvoudig is om donkere materiedeeltjes te onderscheiden van achtergrondruis die ontstaat door bijvoorbeeld ioniserende straling.
Wanneer een deeltje donkere materie een nanodeeltje raakt, warmt het op en veroorzaakt een micro-explosie. Hierdoor worden andere nanodeeltjes in de buurt verhit en ontstaat er een kettingreactie die zich door de cel verspreidt. Het resultaat is dat een enkele cel in de detector explodeert.
Daarentegen zou ioniserende straling, zoals een alfadeeltje, door veel cellen gaan, waardoor ze allemaal zouden exploderen. Dus de signatuur van een exploderende enkele cel kan gemakkelijk worden onderscheiden van de sporen die worden gecreëerd door achtergrondgeluid.
Een ander voordeel is dat dit kettingreactiemechanisme het signaal van een enkel donkeremateriedeeltje versterkt, waardoor het gemakkelijker te herkennen is. En het heeft ook een lage energiedrempel waardoor ook relatief lichte donkere materiedeeltjes kunnen worden gedetecteerd.
Een belangrijke vraag is natuurlijk of zo'n detector zou werken. Lopez-Suarez en co hebben de cijfers doorgenomen en vastgesteld dat aluminium- of ytterbium-nanodeeltjes ingebed in een oxiderende gel en deze op de temperatuur van vloeibare waterstof hebben gehouden, het goed zou moeten doen.
Dat is een interessant idee. De volgende fase zou zijn om te beginnen met het testen van deze materialen om te zien hoe ze kunnen worden gecombineerd tot een prototypedetector. Een interessant probleem voor deze groep is hoe zo'n detector te vervaardigen op het aardoppervlak, waar het achtergrondgeluid van ioniserende straling waarschijnlijk hoog is.
Om deze reden zijn veel experimenten met donkere materie ondergebracht in diepe ondergrondse mijnen. Deze nieuwe moet misschien ook ondergronds worden gehuisvest en waarschijnlijk daar ook worden vervaardigd.
Er is op dit moment veel belangstelling voor nieuwe typen donkeremateriedetectoren. Vorig jaar hebben we gekeken naar een ontwerp met een DNA-volgkamer die donkere materiedeeltjes opspoort aan de hand van het effect dat ze hebben op enkele DNA-strengen.
Dit is een andere even innovatieve benadering. Het zal interessant zijn om te zien of een van hen het daglicht ziet (om zo te zeggen, hoesten).
Referentie: http://arxiv.org/abs/1403.8115 : Nieuwe detectoren voor donkere materie die gebruikmaken van explosieven op nanoschaal