A csillagászok nem tudják, mi a sötét anyag, de tudják, hogy az az univerzum körülbelül 25% -át elfoglalja. A Minnesotában egy aknatengely mélyén, egy mély föld alatti hatalmas detektor képes lehet a rejtély aljára kerülni. A kriogén Dark Matter Search II projekt megkísérli felismerni a gyengén kölcsönhatásba lépő masszív részecskéket (más néven WIMPS). Ezek az elméleti részecskék általában nem lépnek kölcsönhatásba az anyaggal, de az alkalmi ritka ütközések észlelhetők lehetnek.
"Nehezebb és nehezebb megszabadulni attól a ténytől, hogy van olyan anyag, amely odakint alkotja az univerzum legnagyobb részét, amelyet nem látunk" - mondja Cabrera. "Maguk a csillagok és galaxisok olyanok, mint a karácsonyfa fényei ezen a hatalmas hajón, amely sötét, és nem elnyel, sem nem bocsát ki a fényt."
A minnesotai aknatengelybe mélyen eltemetve Cabrera kriogenikus sötét anyag keresése II (CDMS II) projektje fekszik. A Kaliforniai Egyetem, a Berkeley-i fizikus, Bernard Sadoulet az erőfeszítések szóvivője. A Fermilab Dan Bauer a projektmenedzser, Dan Akerib a Case Western Reserve Egyetemen pedig a projektmenedzser-helyettes. 13 intézményből 46 tudósból álló csapat működik együtt a projektben.
WIMP elkapása
A világ egyik legérzékenyebb kísérlete a WIMPS (gyengén interakciós masszív részecskék) nevű egzotikus részecskék kimutatására irányul, amelyek a tudósok egyik legjobb kitalálása arra, hogy mi képezi a sötét anyagot. Egyéb lehetőségek közé tartoznak a neutrinók, az axióknak nevezett elméleti részecskék, sőt akár a normál anyag, például a fekete lyukak és a barna törpe csillagok is, amelyek túl halványak a látáshoz.
Úgy gondolják, hogy a WIMPS semleges töltésű, és a proton tömegének több mint 100-szorosa tömege. Jelenleg ezek az elemi részecskék csak elméletben léteznek, és soha nem figyelték meg őket. A tudósok úgy vélik, hogy még nem találták meg őket, mert ezeket kínosan nehéz megszerezni. A WIMPS nem lép kölcsönhatásba a legtöbb anyaggal - a félénk részecskék közvetlenül a testünkön áthaladnak -, de a CDMS II célja, hogy a projekt speciális érzékelőiben lévő atomokkal való ritka ütközés során elkapja őket.
"Ezek a részecskék többnyire szóródás nélkül haladnak át a Földön" - mondja Cabrera. "Az egyetlen ok, amiért még esélyünk van események megfigyelésére, az az, hogy [annyi részecske van], hogy nagyon ritkán jön be [az érzékelőbe] és szétszóródik."
Az érzékelőket a Minnesota Soudan bányában a földrétegek alatt rejtik el, hogy megvédjék őket a kozmikus sugaraktól és más részecskéktől, amelyek ütközhetnek az érzékelőkkel, és összetéveszthetők a sötét anyaggal. Valójában a CDMS II-en dolgozó tudósok számára a harc fele az, hogy a műszereket mindent elkerüljék a WIMPS kivételével, és bonyolult rendszereket fejlesszenek ki, amelyek megmutatják a különbséget a sötét anyag és a több földi részecske között.
"Detektorunk ez a jégkorong-korong alakú dolog, amelynek az abszolút nulla feletti fok 50 ezredének kell lennie" - mondta Walter Ogburn, a Stanford végzős hallgatója, aki a projekten dolgozik. "Nehéz olyan hidegvá tenni a dolgokat."
Ebből a célból a műszereket egy jégdoboznak nevezett tartályba helyezik, amely hat rétegű szigeteléssel van bontva, a külső hőmérséklettől a belső leghidegebbig. Ez annyira hidegen tartja az érzékelőket, hogy még az atomok sem reszkedhetnek.
Az detektorok szilárd szilícium és szilárd germánium kristályaiból készülnek. A szilícium- vagy germánium-atomok még mindig tökéletes rácsban ülnek. Ha a WIMPS belekapaszkodik hozzájuk, akkor felkacsognak és apró hőcsomagolásokat bocsátanak ki, az úgynevezett fononokat. Amikor a fononok felszállnak a detektorok felületére, változást okoznak egy nagyon érzékeny volfrámrétegben, amelyet a kutatók rögzíthetnek. Az érzékelő másik oldalán lévő második áramkör ionokat, töltött részecskéket mér, amelyek felszabadulnak egy WIMP és egy detektor ütközéséből.
"Ez a két csatorna lehetővé teszi, hogy megkülönböztessük a különféle interakciókat" - mondta Ogburn. "Egyes dolgok több ionizálást, mások pedig kevesebb, tehát így tudod megmondani a különbséget."
A detektorok felépítéséhez sokféle tudós létezik több létesítményben. A csapat megvásárolja a kristályokat egy külső társaságtól, és a Stanford Integrált Rendszerek Központjának kutatói mérőműszereket készítenek az érzékelők felületére. "Ugyanazokat a dolgokat használjuk, amelyekkel az embereket mikroprocesszorok készítésére használjuk, mivel ezek is nagyon aprók" - mondja Matt Pyle, a Cabrera laboratóriumának másik végzős hallgatója.
Nyomok
A WIMPS alcsoportja, amelyet neutinóknak neveznek, a legszükségesebb részecskék, amelyekre a szuperszimmetria várható, ez az elmélet minden egyes részecskére előrejelzi a megfigyelt részecskéket. Ha a CDMS II sikeresen megtalálja a semlegeségeket, ez lenne az első bizonyíték a szuperszimmetria kialakulására. "A szuperszimmetria azt sugallja, hogy a részecskék között egy egész másik szektor létezik, amelyek a meglévő részecskék partnerei" - mondja Cabrera. „A szuperszimmetria nagyon sokféleképpen néz ki. De még nincs közvetlen bizonyíték az illeszkedő [szuperszimmetrikus] részecskepárról. ”
A WIMPS gyenge interakciói miatt a sötét anyag részecskéi tömegűek és betartják a gravitációs törvényeket, nem rakódnak bele a galaxisokba és a csillagokba, mint a normál anyag. A csomók a részecskék összeomlanak és összetapadnak. De a WIMPS leggyakrabban egymás mellett repül. Ráadásul, mivel a WIMPS semleges, nem képeznek atomokat, amelyek megkövetelik a pozitív töltésű protonok vonását a negatív töltésű elektronokhoz.
„A sötét anyag mindent áthat” - mondja Cabrera. "Csak soha nem esett össze úgy, ahogyan az atomok."
Mivel a sötét anyag soha nem formált csillagokat és más ismerős mennyei tárgyakat, a tudósok sokáig nem tudták, hogy ott van-e. Létezésének legkorábbi jele az 1930-as években volt, amikor Fritz Zwicky, egy svájci-amerikai csillagász megfigyelte a galaxiscsoportokat. Összegezte a galaxisok tömegeit, és észrevette, hogy nincs elég tömeg ahhoz, hogy figyelembe vegye a gravitációt, amelynek fenn kell tartania a klaszterek összetartását. Valami másnak biztosítania kell a hiányzó tömeget - következtette.
Később az 1970-es években Vera Rubin, egy amerikai csillagász, megmérte a csillagok sebességét a Tejút és más közeli galaxisok között. Amikor távolabb e galaxisok széle felé nézett, rájött, hogy a csillagok nem forognak lassabban, mint a tudósok elvárták. "Ennek nincs értelme" - mondja Cabrera. "Az egyetlen módja annak, hogy megértsük, ha sokkal több tömeg lenne ott, mint amit a csillagfényben láttál."
Az évek során egyre több bizonyíték gyűlt össze a sötét anyaggal kapcsolatban. Bár a tudósok még nem tudják, mi ez, jobb képet kapnak arról, hogy hol van, és mekkora részének kell lennie. "Nagyon kevés mozgási lehetőség van hátra, hogy különféle mennyiségek legyenek" - mondja Cabrera.
"A mai napig nem látottunk semmit, ami érdekes jelzésnek tűnik" - mondja. A CDMS II kutatói azonban folytatják a kutatást. Tehát más csoportokat is végezzen. A ZEPLIN, a kaliforniai Los Angeles-i Egyetem és az Egyesült Királyság Dark Matter Collaboration fizikusai által vezetett kísérlet célja, hogy WIMP-ket elkapjon a xenon folyékony tartályaiban egy aknában, az angliai Sheffield közelében. A déli póluson pedig a Wisconsin Egyetem és a Madison IceCube nevű projektje építés alatt áll, amely a jégbe mélyen eltemetett optikai érzékelőket fogja használni a neutronok, nagy energiájú részecskék keresésére, amelyek a WIMP megsemmisítésének jelét képezik.
Időközben a CDMS II tovább fejlődik. Kutatói nagyobb és nagyobb detektorokat építenek, hogy növeljék a WIMPS megtalálásának esélyét. A jövőben a csapat reméli, hogy felépít egy 1 tonnás érzékelőt, amely képes felfedezni a WIMPS sok legvalószínűbb típusát, ha vannak ilyenek. "Most már több mint kétszer annyi germánium céltömeggel járunk, mint korábban, tehát most határozottan feltárjuk az új területet" - mondja Ogburn. "De még sok más van a leíráshoz."
Eredeti forrás: Stanford sajtóközlemény
