Πιστωτική εικόνα: Fermilab
Με τα πρώτα δεδομένα από το υπόγειο παρατηρητήριό τους στη Βόρεια Μινεσότα, οι επιστήμονες της Cryogenic Dark Matter Search έχουν εξετάσει με μεγαλύτερη ευαισθησία από ποτέ στο ύποπτο βασίλειο του WIMPS. Η παρατήρηση των Αδύνατων Αλληλεπιδρώντας Μαζικών Σωματιδίων θα μπορούσε να λύσει το διπλό μυστήριο της σκοτεινής ύλης στην κοσμική κλίμακα και της υπερσυμμετρίας στην υποατομική κλίμακα.
Το αποτέλεσμα του CDMS II, που περιγράφεται σε ένα έγγραφο που υποβλήθηκε στα Physical Review Letters, δείχνει με 90% βεβαιότητα ότι ο ρυθμός αλληλεπίδρασης ενός WIMP με μάζα 60 GeV πρέπει να είναι μικρότερος από 4 x 10-43 cm2 ή περίπου μία αλληλεπίδραση κάθε 25 ημέρες ανά χιλιόγραμμο γερμανίου, το υλικό στον ανιχνευτή του πειράματος. Αυτό το αποτέλεσμα λέει στους ερευνητές περισσότερα από όσα γνωρίζουν στο παρελθόν για το WIMPS, εάν υπάρχουν. Οι μετρήσεις από τους ανιχνευτές CDMS II είναι τουλάχιστον τέσσερις φορές πιο ευαίσθητες από τις καλύτερες προηγούμενες μετρήσεις που προσφέρει το πείραμα EDELWEISS, ένα υπόγειο ευρωπαϊκό πείραμα κοντά στη Γκρενόμπλ της Γαλλίας.
«Σκεφτείτε αυτήν τη βελτιωμένη ευαισθησία σαν ένα νέο τηλεσκόπιο με διπλάσια διάμετρο και, συνεπώς, τέσσερις φορές τη συλλογή φωτός από οποιοδήποτε προηγούμενο», δήλωσε ο εκπρόσωπος CDMS II Blas Cabrera του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ. «Τώρα είμαστε σε θέση να αναζητήσουμε ένα σήμα που είναι μόλις το ένα τέταρτο τόσο φωτεινό όσο οποιοδήποτε έχουμε ξαναδεί. Τα επόμενα χρόνια, αναμένουμε να βελτιώσουμε την ευαισθησία μας κατά 20 ή περισσότερους παράγοντες. "
Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στη συνάντηση του Αμερικάνικου Φυσικού Συλλόγου τον Απρίλιο στις 3 και 4 Μαΐου στο Ντένβερ από τον Χάρι Νέλσον και τον μεταπτυχιακό φοιτητή Joel Sanders, και οι δύο από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια-Σάντα Μπάρμπαρα, και από τους Gensheng Wang και Sharmila Kamat του Case Western Πανεπιστήμιο Reserve.
«Γνωρίζουμε ότι ούτε το πρότυπο μοντέλο φυσικής σωματιδίων ούτε το μοντέλο του σύμπαντος μας είναι πλήρες», δήλωσε ο εκπρόσωπος του CDMS II Bernard Sadoulet του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ. «Αυτό το συγκεκριμένο κομμάτι που λείπει φαίνεται να ταιριάζει και στα δύο παζλ. Βλέπουμε το ίδιο σχήμα από δύο διαφορετικές κατευθύνσεις. "
Τα WIMP, που δεν φέρουν καμία χρέωση, είναι μια μελέτη σε αντιφάσεις. Ενώ οι φυσικοί αναμένουν από αυτούς να έχουν περίπου 100 φορές τη μάζα των πρωτονίων, η φάντασμα φύση τους τους επιτρέπει να περάσουν από τη συνηθισμένη ύλη αφήνοντας μόλις ένα ίχνος. Ο όρος «αδύναμη αλληλεπίδραση» δεν αναφέρεται στην ποσότητα ενέργειας που εναποτίθεται όταν αλληλεπιδρούν με την κανονική ύλη, αλλά μάλλον στο γεγονός ότι αλληλεπιδρούν εξαιρετικά σπάνια. Στην πραγματικότητα, έως και εκατό δισεκατομμύρια WIMP μπορεί να έχουν ρέει στο σώμα σας, καθώς διαβάζετε αυτές τις πρώτες προτάσεις.
Με 48 επιστήμονες από 13 ιδρύματα, καθώς και άλλους 28 μηχανικούς, τεχνικούς και διοικητικούς υπαλλήλους, το CDMS II λειτουργεί με χρηματοδότηση από το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, από τα τμήματα Αστρονομίας και Φυσικής του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών και από ιδρύματα μέλη. Το εργαστήριο Fermi National Accelerator του DOE παρέχει τη διαχείριση του έργου για το CDMS II.
«Η φύση της σκοτεινής ύλης είναι θεμελιώδης για την κατανόηση του σχηματισμού και της εξέλιξης του σύμπαντος», δήλωσε ο Δρ Raymond L. Orbach, Διευθυντής του Γραφείου Επιστημών του DOE. "Αυτό το πείραμα δεν θα μπορούσε να έχει επιτύχει χωρίς την ενεργή συνεργασία του Γραφείου Επιστημών του DOE και του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών".
Ο Michael Turner, Βοηθός Διευθυντής Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών στο NSF, χαρακτήρισε τον προσδιορισμό του συστατικού της σκοτεινής ύλης ως μία από τις μεγάλες προκλήσεις τόσο στην αστροφυσική όσο και στη σωματιδιακή φυσική.
"Η σκοτεινή ύλη συγκρατεί όλες τις δομές του σύμπαντος - συμπεριλαμβανομένου του δικού μας Γαλαξία - και ακόμα δεν γνωρίζουμε από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη", δήλωσε ο Turner. «Η υπόθεση εργασίας είναι ότι είναι μια νέα μορφή ύλης-η οποία, εάν είναι σωστή, θα ρίξει φως στις εσωτερικές λειτουργίες των στοιχειωδών δυνάμεων και σωματιδίων. Αναζητώντας τη λύση σε αυτό το σημαντικό παζλ, το CDMS βρίσκεται τώρα στο επίκεντρο του πακέτου, με ακόμη έναν παράγοντα 20 στην ευαισθησία να έρθει ακόμη. "
Η σκοτεινή ύλη στο σύμπαν ανιχνεύεται μέσω των βαρυτικών της επιδράσεων σε όλες τις κοσμικές κλίμακες, από την ανάπτυξη της δομής στο πρώιμο σύμπαν μέχρι τη σταθερότητα των γαλαξιών σήμερα. Κοσμολογικά δεδομένα από πολλές πηγές επιβεβαιώνουν ότι αυτή η αόρατη σκοτεινή ύλη ανέρχεται σε πάνω από επτά φορές την ποσότητα της συνηθισμένης ορατής ύλης που σχηματίζει τα αστέρια, τους πλανήτες και άλλα αντικείμενα στο σύμπαν.
«Κάτι εκεί έξω σχηματίζει τους γαλαξίες και τους κρατά μαζί σήμερα, και δεν εκπέμπει ούτε απορροφά φως», δήλωσε η Cabrera. "Η μάζα των αστεριών σε έναν γαλαξία είναι μόνο το 10 τοις εκατό της μάζας ολόκληρου του γαλαξία, οπότε τα αστέρια είναι σαν τα φώτα του χριστουγεννιάτικου δέντρου που διακοσμούν το σαλόνι ενός μεγάλου σκοτεινού σπιτιού."
Οι φυσικοί πιστεύουν επίσης ότι τα WIMPs θα μπορούσαν να είναι τα μέχρι τώρα μη παρατηρημένα υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται ουδέτερα. Αυτά θα ήταν αποδεικτικά στοιχεία για τη θεωρία της υπερσυμμετρίας, εισάγοντας μια ενδιαφέρουσα νέα φυσική πέρα από το σημερινό πρότυπο μοντέλο των βασικών σωματιδίων και δυνάμεων.
Η υπερσυμμετρία προβλέπει ότι κάθε γνωστό σωματίδιο έχει έναν υπερσυμμετρικό συνεργάτη με συμπληρωματικές ιδιότητες, αν και κανένας από αυτούς τους εταίρους δεν έχει ακόμη παρατηρηθεί. Ωστόσο, πολλά μοντέλα υπερσυμμετρίας προβλέπουν ότι το ελαφρύτερο υπερσυμμετρικό σωματίδιο, που ονομάζεται ουδέτερο, έχει μάζα περίπου 100 φορές μεγαλύτερη από το πρωτόνιο.
«Οι θεωρητικοί βρήκαν όλους αυτούς τους λεγόμενους« υπερσυμμετρικούς συνεργάτες »των γνωστών σωματιδίων για να εξηγήσουν προβλήματα στις μικρότερες κλίμακες απόστασης», δήλωσε ο Dan Akerib του Case Western Reserve University. "Σε μια από αυτές τις συναρπαστικές συνδέσεις των πολύ μεγάλων και των πολύ μικρών, το ελαφρύτερο από αυτούς τους υπερ-συνεργάτες θα μπορούσε να είναι το κομμάτι του παζλ που λείπει για να εξηγήσουμε τι παρατηρούμε στις πολύ μεγαλύτερες κλίμακες απόστασης."
Η ομάδα του CDMS II ασκεί «υπόγεια αστρονομία», με ανιχνευτές σωματιδίων που βρίσκονται σχεδόν μισό μίλι κάτω από την επιφάνεια της γης σε ένα πρώην μεταλλείο σιδήρου στο Σουντάν της Μινεσότα. Τα 2.341 πόδια του φλοιού της γης προστατεύουν τις κοσμικές ακτίνες και τα σωματίδια υποβάθρου που παράγουν. Οι ανιχνευτές αποτελούνται από κρύσταλλοι γερμανίου και πυριτίου, ημιαγωγών με παρόμοιες ιδιότητες. Οι ανιχνευτές ψύχονται μέσα στο ένα δέκατο ενός βαθμού απόλυτου μηδέν, τόσο κρύο που η μοριακή κίνηση καθίσταται αμελητέα. Οι ανιχνευτές μετρούν ταυτόχρονα το φορτίο και τους κραδασμούς που παράγονται από αλληλεπιδράσεις σωματιδίων εντός των κρυστάλλων. Το WIMPS θα σηματοδοτήσει την παρουσία τους απελευθερώνοντας λιγότερο φορτίο από άλλα σωματίδια για την ίδια ποσότητα δόνησης.
«Οι ανιχνευτές μας λειτουργούν σαν ένα τηλεσκόπιο εξοπλισμένο με φίλτρα που επιτρέπουν στους αστρονόμους να διακρίνουν το ένα χρώμα του φωτός από το άλλο», δήλωσε ο διευθυντής του προγράμματος CDMS II Dan Bauer του Fermilab. «Μόνο, στην περίπτωσή μας, προσπαθούμε να φιλτράρουμε τα συμβατικά σωματίδια υπέρ της WIMPS της σκοτεινής ύλης».
Ο φυσικός Earl Peterson του Πανεπιστημίου της Μινεσότα επιβλέπει το υπόγειο εργαστήριο Soudan, όπου στεγάζεται επίσης το μακρύ βασικό πείραμα του Fermilab, το Main Injector Neutrino Oscillation Search.
«Είμαι ενθουσιασμένος για το σημαντικό νέο αποτέλεσμα από το CDMS II και συγχαίρω τη συνεργασία», είπε ο Peterson. «Είμαι ευτυχής που οι εγκαταστάσεις του εργαστηρίου Soudan συνέβαλαν στην επιτυχία του CDMS II. Και είμαι ιδιαίτερα χαρούμενος που το έργο του Fermilab και του Πανεπιστημίου της Μινεσότα στην επέκταση του εργαστηρίου Soudan είχε ως αποτέλεσμα μια υπέροχη νέα φυσική. "
Καθώς το CDSMII αναζητά WIMPs τα επόμενα χρόνια, θα ανακαλυφθεί είτε η σκοτεινή ύλη του σύμπαντος μας, είτε ένα μεγάλο εύρος υπερσυμμετρικών μοντέλων θα αποκλειστεί από τη δυνατότητα. Είτε έτσι είτε αλλιώς, το πείραμα CDMS II θα διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην προώθηση της κατανόησης της σωματιδιακής φυσικής και του σύμπαντος.
Τα συνεργαζόμενα ιδρύματα CDMS II περιλαμβάνουν το Brown University, το Case Western Reserve University, το Fermi National Accelerator Laboratory, το Lawrence Berkeley National Laboratory, τα National Institutes of Standards and Technology, το Princeton University, το Santa Clara University, το Stanford University, το University of California-Berkeley, το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια-Σάντα Μπάρμπαρα, το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Ντένβερ, το Πανεπιστήμιο της Φλόριντα και το Πανεπιστήμιο της Μινεσότα.
Το Fermilab είναι ένα εθνικό εργαστήριο DOE Office of Science που λειτουργεί με σύμβαση από την Universities Research Association, Inc.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο ειδήσεων Fermilab
