Astronomii nu știu care este materia întunecată, dar știu că este nevoie de aproximativ 25% din Univers. Un detector puternic, adânc în subteran într-un arbore de mină din Minnesota, ar putea ajunge în fundul misterului. Proiectul Cryogenic Dark Matter Search II va încerca să detecteze particule masive cu interacțiune slabă (numit WIMPS). Aceste particule teoretice nu interacționează în mod normal cu materia, dar o coliziune rară ocazională poate fi detectată.
„Este din ce în ce mai greu să se îndepărteze de faptul că există o substanță care formează cea mai mare parte a universului pe care nu îl putem vedea”, spune Cabrera. „Stelele și galaxiile în sine sunt ca niște lumini de copac de Crăciun pe această navă imensă, care este întunecată și nu absoarbe și nu emite lumină.
Înmormântat în subteran, într-un arbore de mină din Minnesota, se află proiectul lui Cabrera, denumit Criogenic Matter Dark Search II (CDMS II). Fizicianul Universității din California-Berkeley, Bernard Sadoulet, servește ca purtător de cuvânt al efortului. Dan Bauer al lui Fermilab este managerul de proiect, iar Dan Akerib de la Universitatea Case Western Reserve este directorul adjunct al proiectului. O echipă formată din 46 de oameni de știință din 13 instituții colaborează la proiect.
Pentru a prinde un WIMP
Experimentul este cel mai sensibil din lume, urmărind detectarea particulelor exotice numite WIMPS (Particule masive care interacționează slab), care sunt cele mai bune ghiciri ale oamenilor de știință despre ceea ce formează materia întunecată. Alte opțiuni includ neutrini, particule teoretizate numite axiuni sau chiar materie normală, cum ar fi găurile negre și stelele pitice maro care sunt prea slabe pentru a le vedea.
Se consideră că WIMPS este neutru în sarcină și cântărește de peste 100 de ori masa unui proton. În prezent, aceste particule elementare există doar în teorie și nu au fost niciodată observate. Oamenii de știință cred că nu le-au găsit încă pentru că sunt extrem de dificil de capturat. WIMPS nu interacționează cu cea mai mare parte a materiei - particulele timide trec chiar prin corpul nostru - dar CDMS II își propune să le prindă într-o coliziune rară cu atomii din detectoarele special realizate ale proiectului.
„Aceste particule trec în mare parte pe Pământ fără să se împrăștie”, spune Cabrera. "Singurul motiv pentru care avem chiar șansa de a vedea evenimente este pentru că [există] multe dintre particulele care foarte rar una va veni [în detector] și se va împrăștia."
Detectoarele sunt ascunse sub straturi de pământ din mina Soudan din Minnesota pentru a le proteja de razele cosmice și de alte particule care ar putea să se ciocnească cu detectoarele și să fie confundate cu materia întunecată. De fapt, jumătatea luptei pentru oamenii de știință care lucrează la CDMS II este de a-și proteja instrumentele cât mai mult de orice, în afară de WIMPS și de a dezvolta sisteme elaborate care să spună diferența dintre materia întunecată și particulele mai banale.
"Detectorul nostru este acest lucru în formă de hochei-puck care trebuie să trăiască la 50 de mii de grade peste zero absolut", spune Walter Ogburn, un student absolvent la Stanford, care lucrează la proiect. „Este greu să faci lucrurile atât de reci.”
În acest scop, instrumentele sunt amplasate într-o cutie numită cutie de gheață, căptușită cu șase straturi de izolație, de la temperatura camerei la exterior la cea mai rece la interior. Acest lucru menține detectoarele atât de reci încât nici atomii nu pot să tremure.
Detectoarele sunt fabricate din cristale de siliciu solid și germaniu solid. Atomii de siliciu sau germaniu stau nemișcați într-o rețea perfectă. Dacă WIMPS se prăbușește în ele, va rătăci și va emite pachete minuscule de căldură numite fononi. Când fononii se ridică la suprafața detectoarelor, creează o schimbare într-un strat foarte sensibil de tungsten, pe care cercetătorii îl pot înregistra. Un al doilea circuit de pe cealaltă parte a detectorului măsoară ioni, particule încărcate care ar fi eliberate dintr-o coliziune a unui WIMP și a unui atom în detector.
„Aceste două canale ne permit să discriminăm între diferite tipuri de interacțiuni”, spune Ogburn. „Unele lucruri fac mai multă ionizare, iar altele fac mai puțin, așa că poți spune diferența în acest fel.”
Este nevoie de o echipă de oameni de știință din mai multe facilități pentru a construi detectoarele. Echipa cumpără cristalele de la o companie externă, iar cercetătorii de la Centrul pentru Sisteme Integrate Stanford realizează instrumente de măsurare pe suprafețele detectoarelor. „Folosim aceleași lucruri pentru a face aceste lucruri pe care oamenii le folosesc pentru a face microprocesoare, deoarece acestea sunt, de asemenea, super minuscule”, spune Matt Pyle, un alt student absolvent în laboratorul lui Cabrera.
Ciorchine de indicii
Un subset de WIMPS, numite neutralinos, sunt cele mai ușoare particule așteptate de supersimetrie, teorie care prezice o pereche pentru fiecare particulă pe care am observat-o deja. Dacă CDMS II reușește să găsească neutralinos, aceasta ar fi prima dovadă pentru supersimetrie. „Supersimetria sugerează că există un alt sector în afară de particule care sunt partenerii particulelor noastre existente”, spune Cabrera. „Există multe moduri în care supersimetria arată foarte probabil. Dar nu există încă dovezi directe pentru vreo pereche de particule [supersimetrice] potrivite. "
Interacțiunile slabe ale WIMPS sunt de aceea, deși particulele de materie întunecată au masă și se supun legilor gravitației, ele nu se aglomerează în galaxii și stele ca materia normală. Pentru a aglomera, particulele trebuie să se prăbușească și să se lipească între ele. Dar WIMPS cel mai adesea ar zbura direct unul de celălalt. În plus, deoarece WIMPS sunt neutre, nu formează atomi, ceea ce necesită atracția protonilor încărcați pozitiv către electronii încărcați negativ.
„Materia întunecată pătrunde totul”, spune Cabrera. „Nu s-a prăbușit niciodată așa cum au făcut atomii.”
Întrucât materia întunecată nu a format niciodată stele și alte obiecte cerești cunoscute, de mult timp oamenii de știință nu au știut niciodată că este acolo. Cea mai timpurie indicație a existenței sale a apărut în anii 1930 când Fritz Zwicky, un astronom elvețian-american, a observat ciorchini de galaxii. A adăugat masele galaxiilor și a observat că nu există suficientă masă pentru a da socoteală gravitației care trebuie să existe pentru a ține grupurile împreună. Altceva trebuie să ofere masa care lipsește, a dedus el.
Mai târziu, în anii 70, Vera Rubin, un astronom american, a măsurat viteza stelelor din Calea Lactee și a altor galaxii din apropiere. Când privea mai departe spre marginile acestor galaxii, a descoperit că stelele nu se rotește mai încet, așa cum se așteptau oamenii de știință. "Nu a avut niciun sens", spune Cabrera. „Singurul mod în care ai putea să-l înțelegi este dacă ar fi existat mult mai multă masa decât ceea ce ai văzut în lumina stelei.
De-a lungul anilor, s-au acumulat tot mai multe dovezi pentru materia întunecată. Deși oamenii de știință încă nu știu despre ce este vorba, ei au o idee mai bună de unde este și cât de mult ar trebui să fie. „Au rămas foarte puține camere pentru a avea cantități diferite”, spune Cabrera.
„Nu am văzut nimic care să semene cu un semnal interesant până în prezent”, spune el. Dar cercetătorii CDMS II continuă căutarea. La fel, faceți și alte grupuri. ZEPLIN, un experiment condus de fizicieni de la Universitatea din California-Los Angeles și Regatul Unit al Asociatiei întunecate din Marea Britanie, își propune să prindă WIMP-uri în cuve lichide de xenon într-o mină din apropierea orașului Sheffield, Anglia. Și la Polul Sud, este în construcție un proiect al Universității din Wisconsin-Madison, numit IceCube, care va folosi senzori optici îngropați adânc în gheață pentru a căuta neutrino-uri, particule cu energie mare, care sunt semnături ale anihilărilor WIMP.
Între timp, CDMS II continuă să evolueze. Cercetătorii săi construiesc detectori din ce în ce mai mari pentru a-și crește șansele de a găsi WIMPS. În viitor, echipa speră să construiască un detector de 1 tonă, care ar trebui să poată descoperi multe dintre cele mai probabile tipuri de WIMPS, dacă există. „Acum luăm date cu mai mult de două ori mai multă masă țintă de germaniu decât aveam înainte, așa că explorăm cu siguranță noul teritoriu chiar acum”, spune Ogburn. „Dar mai sunt multe de acoperit”.
Sursa originală: Comunicat de presă Stanford
