Astronomowie nie wiedzą, czym jest ciemna materia, ale wiedzą, że zajmuje ona około 25% Wszechświata. Potężny wykrywacz głęboko w podziemnym szybu w Minnesocie może dotrzeć do sedna tajemnicy. Projekt Cryogenic Dark Matter Search II będzie próbował wykryć słabo oddziałujące masywne cząstki (inaczej WIMPS). Te teoretyczne cząstki zwykle nie wchodzą w interakcje z materią, ale sporadyczne rzadkie zderzenia mogą być wykrywalne.
„Coraz trudniej jest uciec od faktu, że istnieje substancja, która stanowi większość wszechświata, którego nie możemy zobaczyć” - mówi Cabrera. „Same gwiazdy i galaktyki są jak lampki choinkowe na tym wielkim statku, który jest ciemny i nie pochłania ani nie emituje światła”.
Głęboko pod ziemią w szybie kopalni w Minnesocie leży projekt Cabrery, zwany Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). Bernard Sadoulet, fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, jest rzecznikiem wysiłku. Dan Bauer z Fermilab jest kierownikiem projektu, a Dan Akerib z Case Western Reserve University jest zastępcą kierownika projektu. Zespół 46 naukowców z 13 instytucji współpracuje przy projekcie.
Aby złapać WIMP
Eksperyment jest najbardziej czuły na świecie i ma na celu wykrycie egzotycznych cząstek zwanych WIMPS (słabo oddziaływujące masywne cząstki), które są jednym z najlepszych odgadnięć naukowców na temat tego, co składa się na ciemną materię. Inne opcje obejmują neutrina, teoretyczne cząstki zwane osiami, a nawet normalną materię, taką jak czarne dziury i brązowe gwiazdy karłowate, które są zbyt słabe, aby je zobaczyć.
Uważa się, że WIMPS są neutralne i ważą ponad 100 razy masę protonu. W tej chwili te cząstki elementarne istnieją tylko w teorii i nigdy nie zostały zaobserwowane. Naukowcy uważają, że jeszcze ich nie znaleźli, ponieważ są niezwykle trudni do złapania. WIMPS nie wchodzi w interakcje z większością materii - nieśmiałe cząsteczki przechodzą bezpośrednio przez nasze ciała - ale CDMS II ma na celu złapanie ich w rzadkiej kolizji z atomami w specjalnie zaprojektowanych detektorach.
„Cząstki te w większości przechodzą przez Ziemię bez rozpraszania” - mówi Cabrera. „Jedynym powodem, dla którego mamy szansę zobaczyć zdarzenia, jest to, że [jest] tak wiele cząstek, że bardzo rzadko jedna wchodzi do [detektora] i rozprasza się.”
Detektory są ukryte pod warstwami ziemi w kopalni Soudan w Minnesocie, aby chronić je przed promieniami kosmicznymi i innymi cząsteczkami, które mogłyby zderzyć się z detektorami i być mylone z ciemną materią. W rzeczywistości połowa bitwy o naukowców pracujących nad CDMS II polega na jak największej ochronie swoich instrumentów przed wszystkim oprócz WIMPS i opracowaniu skomplikowanych systemów odróżniających ciemną materię od bardziej przyziemnych cząstek.
„Nasz detektor to ta rzecz w kształcie krążka hokejowego, która musi żyć o 50 tysięcznych stopnia powyżej absolutnego zera”, mówi Walter Ogburn, absolwent Stanford, który pracuje nad projektem. „Trudno jest zrobić coś tak zimnego”.
W tym celu instrumenty są umieszczone w pojemniku zwanym lodówką, wyłożonym sześcioma warstwami izolacji, od temperatury pokojowej na zewnątrz do najzimniejszego w środku. Dzięki temu detektory są tak zimne, że nawet atomy nie mogą się trząść.
Detektory wykonane są z kryształów litego krzemu i litego germanu. Atomy krzemu lub germanu siedzą nieruchomo w doskonałej sieci. Jeśli WIMPS uderzy w nie, poruszą się i wyrzucą małe pakiety ciepła zwane fononami. Kiedy fonony unoszą się na powierzchni detektorów, powodują zmianę w bardzo wrażliwej warstwie wolframu, którą naukowcy mogą zarejestrować. Drugi obwód po drugiej stronie detektora mierzy jony, naładowane cząstki, które zostałyby uwolnione w wyniku zderzenia WIMP i atomu w detektorze.
„Te dwa kanały pozwalają nam rozróżniać różne rodzaje interakcji”, mówi Ogburn. „Niektóre rzeczy powodują większą jonizację, a inne mniej, więc można w ten sposób odróżnić”.
Do zbudowania detektorów potrzebny jest zespół naukowców z wielu obiektów. Zespół kupuje kryształy od firmy zewnętrznej, a naukowcy z Centrum Systemów Zintegrowanych Stanford wykonują przyrządy pomiarowe na powierzchniach detektorów. „Używamy tych samych rzeczy do tworzenia mikroprocesorów, ponieważ są one również bardzo małe” - mówi Matt Pyle, inny doktorant w laboratorium Cabrery.
Kępy wskazówek
Podzbiór WIMPS, zwany neutrino, to najlżejsze cząstki oczekiwane przez supersymetrię, teorię, która przewiduje wiązanie dla każdej cząstki, którą już zaobserwowaliśmy. Jeśli CDMS II z powodzeniem znajdzie neutrino, będzie to pierwszy dowód na supersymetrię. „Supersymetria sugeruje, że istnieje cały inny sektor cząstek, które są partnerami naszych istniejących cząstek”, mówi Cabrera. „Istnieje wiele sposobów, w których supersymetria wygląda bardzo prawdopodobne. Ale nie ma jeszcze bezpośrednich dowodów na żadną pasującą parę [supersymetryczną] cząstek ”.
Słabe interakcje WIMPS powodują, że chociaż cząstki ciemnej materii mają masę i są zgodne z prawami grawitacji, nie zlepiają się w galaktyki i gwiazdy jak normalna materia. Aby się zbić, cząstki muszą się rozbić i skleić. Ale WIMPS najczęściej latały obok siebie. Ponadto, ponieważ WIMPS są neutralne, nie tworzą atomów, które wymagają przyciągania dodatnio naładowanych protonów do ujemnie naładowanych elektronów.
„Ciemna materia przenika wszystko” - mówi Cabrera. „Po prostu nigdy nie zawalił się tak, jak atomy”.
Ponieważ ciemna materia nigdy nie tworzyła gwiazd i innych znanych niebiańskich obiektów, przez długi czas naukowcy nigdy nie wiedzieli, że tam jest. Najwcześniejsze oznaki jej istnienia pojawiły się w latach 30. XX wieku, kiedy szwajcarski astronom Fritz Zwicky zaobserwował gromady galaktyk. Zsumował masy galaktyk i zauważył, że nie ma wystarczającej masy, aby uwzględnić grawitację, która musi istnieć, aby utrzymać gromady razem. Uznał, że coś jeszcze musi zapewnić brakującą masę.
Później w latach 70. amerykańska astronomka Vera Rubin dokonała pomiaru prędkości gwiazd w Drodze Mlecznej i innych pobliskich galaktykach. Gdy spojrzała dalej w kierunku krawędzi tych galaktyk, odkryła, że gwiazdy nie obracają się wolniej, jak się spodziewali naukowcy. „To nie miało sensu” - mówi Cabrera. „Jedynym sposobem, aby to zrozumieć, jest to, że jest tam o wiele więcej masy niż to, co widziałeś w świetle gwiazd.”
Z biegiem lat gromadziło się coraz więcej dowodów na istnienie ciemnej materii. Chociaż naukowcy jeszcze nie wiedzą, co to jest, lepiej wiedzą, gdzie to jest i ile powinno być. „Zostało bardzo mało miejsca na poruszanie się, aby mieć różne ilości” - mówi Cabrera.
„Do tej pory nie widzieliśmy niczego, co wyglądałoby jak interesujący sygnał” - mówi. Ale badacze CDMS II kontynuują poszukiwania. Podobnie jak inne grupy. ZEPLIN, eksperyment przeprowadzony przez fizyków z University of California-Los Angeles i Wielkiej Brytanii Dark Matter Collaboration, ma na celu złapanie WIMP w ciekłych kadziach ksenonu w kopalni niedaleko Sheffield w Anglii. Na Biegunie Południowym budowany jest projekt Uniwersytetu Wisconsin-Madison o nazwie IceCube, który będzie wykorzystywał czujniki optyczne zakopane głęboko w lodzie w poszukiwaniu neutrin, cząstek o wysokiej energii, które są sygnaturami anihilacji WIMP.
Tymczasem CDMS II ewoluuje. Badacze budują coraz większe detektory, aby zwiększyć swoje szanse na znalezienie WIMPS. W przyszłości zespół ma nadzieję zbudować 1-tonowy detektor, który powinien być w stanie odkryć wiele najbardziej prawdopodobnych rodzajów WIMPS, jeśli takie istnieją. „Zbieramy teraz dane z ponad dwukrotnie większą masą docelową germanu niż wcześniej, więc zdecydowanie odkrywamy teraz nowe terytorium”, mówi Ogburn. „Ale jest o wiele więcej do omówienia”.
Oryginalne źródło: Stanford News Release
