Οι αστρονόμοι δεν γνωρίζουν τι είναι η σκοτεινή ύλη, αλλά γνωρίζουν ότι καταλαμβάνει περίπου το 25% του Σύμπαντος. Ένας ισχυρός ανιχνευτής, βαθιά υπόγεια σε ένα mineshaft στη Μινεσότα μπορεί να φτάσει στο κάτω μέρος του μυστηρίου. Το έργο Cryogenic Dark Matter Search II θα προσπαθήσει να εντοπίσει τα αδύναμα αλληλεπιδρώντας μαζικά σωματίδια (γνωστό και ως WIMPS). Αυτά τα θεωρητικά σωματίδια δεν αλληλεπιδρούν κανονικά με την ύλη, αλλά η περιστασιακή σπάνια σύγκρουση μπορεί να είναι ανιχνεύσιμη.
«Είναι πιο δύσκολο και πιο δύσκολο να ξεφύγουμε από το γεγονός ότι υπάρχει μια ουσία εκεί έξω που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος που δεν μπορούμε να δούμε», λέει η Cabrera. «Τα ίδια τα αστέρια και οι γαλαξίες είναι σαν χριστουγεννιάτικα φώτα σε αυτό το τεράστιο πλοίο που είναι σκοτεινό και δεν απορροφά ούτε εκπέμπει φως».
Θαμμένος βαθιά υπόγεια σε ένα mineshaft στη Μινεσότα βρίσκεται το έργο της Cabrera, που ονομάζεται Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). Ο φυσικός του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας-Μπέρκλεϋ Bernard Sadoulet χρησιμεύει ως εκπρόσωπος της προσπάθειας. Ο Dan Bauer του Fermilab είναι ο διαχειριστής του έργου του και ο Dan Akerib από το Case Western Reserve University είναι ο αναπληρωτής διαχειριστής του έργου. Μια ομάδα 46 επιστημόνων σε 13 ιδρύματα συνεργάζεται στο έργο.
Για να πιάσετε ένα WIMP
Το πείραμα είναι το πιο ευαίσθητο στον κόσμο με στόχο την ανίχνευση εξωτικών σωματιδίων που ονομάζονται WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), τα οποία είναι μια από τις καλύτερες εικασίες των επιστημόνων για το τι αποτελεί τη σκοτεινή ύλη. Άλλες επιλογές περιλαμβάνουν νετρίνα, θεωρητικά σωματίδια που ονομάζονται άξονες ή ακόμη και φυσιολογική ύλη όπως μαύρες τρύπες και καφέ νάνοι αστέρια που είναι πολύ αχνά για να δουν.
Το WIMPS θεωρείται ότι είναι ουδέτερο φορτίο και ζυγίζει περισσότερο από 100 φορές τη μάζα ενός πρωτονίου. Προς το παρόν αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια υπάρχουν μόνο στη θεωρία και δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι δεν τα έχουν βρει ακόμα επειδή είναι εξαιρετικά δύσκολο να συλληφθούν. Το WIMPS δεν αλληλεπιδρά με την περισσότερη ύλη - τα ντροπαλά σωματίδια περνούν κατευθείαν από το σώμα μας - αλλά το CDMS II στοχεύει να τα πιάσει σε μια σπάνια σύγκρουση με τα άτομα στους ειδικούς ανιχνευτές του έργου.
«Αυτά τα σωματίδια περνούν κυρίως από τη Γη χωρίς να διασκορπίζονται», λέει ο Cabrera. «Ο μόνος λόγος που έχουμε ακόμη την πιθανότητα να δούμε γεγονότα είναι επειδή [υπάρχουν] τόσα πολλά από τα σωματίδια που πολύ σπάνια κάποιος θα έρθει [στον ανιχνευτή] και θα διασκορπιστεί."
Οι ανιχνευτές είναι κρυμμένοι κάτω από στρώματα γης στο ορυχείο Soudan της Μινεσότα για να τους προστατεύσουν από κοσμικές ακτίνες και άλλα σωματίδια που μπορεί να συγκρούονται με τους ανιχνευτές και να θεωρηθούν λανθασμένα για σκοτεινή ύλη. Στην πραγματικότητα, η μισή μάχη για τους επιστήμονες που εργάζονται στο CDMS II είναι να προστατεύσουν τα όργανα τους όσο το δυνατόν περισσότερο από όλα εκτός από WIMPS και να αναπτύξουν περίπλοκα συστήματα για να πουν τη διαφορά μεταξύ της σκοτεινής ύλης και των πιο φυσικών σωματιδίων.
«Ο ανιχνευτής μας είναι αυτό το χόκεϊ-σχήμα που πρέπει να ζει στα 50 χιλιοστά ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν», λέει ο Walter Ogburn, απόφοιτος φοιτητής στο Στάνφορντ που εργάζεται στο έργο. «Είναι δύσκολο να κάνεις πράγματα τόσο κρύα.»
Για το σκοπό αυτό, τα όργανα είναι τοποθετημένα σε ένα δοχείο που ονομάζεται παγοκιβώτιο, επενδεδυμένο με έξι στρώματα μόνωσης, από τη θερμοκρασία δωματίου στο εξωτερικό έως το πιο κρύο στο εσωτερικό. Αυτό κρατά τους ανιχνευτές τόσο κρύους που ακόμη και τα άτομα δεν μπορούν να τρέμουν.
Οι ανιχνευτές είναι κατασκευασμένοι από κρύσταλλους στερεού πυριτίου και στερεού γερμανίου. Τα άτομα πυριτίου ή γερμανίου βρίσκονται ακίνητα σε ένα τέλειο πλέγμα. Εάν τα WIMPS συντρίψουν, θα κουνήσουν και θα εκδώσουν μικροσκοπικά πακέτα θερμότητας που ονομάζονται φωνόνια. Όταν τα φωνόνια ανεβαίνουν στην επιφάνεια των ανιχνευτών, δημιουργούν μια αλλαγή σε ένα πολύ ευαίσθητο στρώμα βολφραμίου, το οποίο μπορούν να καταγράψουν οι ερευνητές. Ένα δεύτερο κύκλωμα στην άλλη πλευρά του ανιχνευτή μετρά ιόντα, φορτισμένα σωματίδια που θα απελευθερώνονταν από μια σύγκρουση ενός WIMP και ενός ατόμου στον ανιχνευτή.
«Αυτά τα δύο κανάλια μας επιτρέπουν να κάνουμε διακρίσεις μεταξύ διαφορετικών ειδών αλληλεπιδράσεων», λέει ο Ogburn. "Μερικά πράγματα κάνουν περισσότερο ιονισμό και κάποια πράγματα λιγότερο, έτσι μπορείτε να πείτε τη διαφορά με αυτόν τον τρόπο."
Χρειάζεται μια ομάδα επιστημόνων σε πολλαπλές εγκαταστάσεις για την κατασκευή των ανιχνευτών. Η ομάδα αγοράζει τους κρυστάλλους από μια εξωτερική εταιρεία και οι ερευνητές στο Κέντρο Ολοκληρωμένων Συστημάτων του Στάνφορντ κατασκευάζουν όργανα μέτρησης στις επιφάνειες των ανιχνευτών. «Χρησιμοποιούμε τα ίδια πράγματα για να φτιάξουμε αυτά που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι για να φτιάξουν μικροεπεξεργαστές, επειδή είναι επίσης εξαιρετικά μικροσκοπικά», λέει ο Matt Pyle, άλλος μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο της Cabrera.
Συγκεντρώσεις ενδείξεων
Ένα υποσύνολο του WIMPS, που ονομάζεται ουδέτερος, είναι τα ελαφρύτερα σωματίδια που αναμένονται από την υπερσυμμετρία, μια θεωρία που προβλέπει έναν σύντροφο για κάθε σωματίδιο που έχουμε ήδη παρατηρήσει. Εάν το CDMS II επιτύχει να βρει ουδέτερα, αυτό θα ήταν η πρώτη απόδειξη για την υπερσυμμετρία. «Η υπερσυμμετρία υποδηλώνει ότι υπάρχει ένας ολόκληρος τομέας εκεί έξω των σωματιδίων που είναι οι συνεργάτες των υπαρχόντων σωματιδίων μας», λέει ο Cabrera. «Υπάρχουν πολλοί τρόποι με τους οποίους η υπερσυμμετρία φαίνεται πολύ πιθανή. Αλλά δεν υπάρχουν ακόμη άμεσα στοιχεία για κάποιο ταιριαστό [υπερσυμμετρικό] ζεύγος σωματιδίων. "
Οι αδύναμες αλληλεπιδράσεις του WIMPS είναι γιατί, παρόλο που τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης έχουν μάζα και υπακούουν στους νόμους της βαρύτητας, δεν συσσωρεύονται σε γαλαξίες και αστέρια όπως η κανονική ύλη. Για να συσσωρευτούν, τα σωματίδια πρέπει να συντρίψουν και να κολλήσουν μεταξύ τους. Αλλά το WIMPS συνήθως πετάει το ένα δίπλα στο άλλο. Επιπλέον, επειδή τα WIMPS είναι ουδέτερα, δεν σχηματίζουν άτομα, τα οποία απαιτούν την προσέλκυση θετικά φορτισμένων πρωτονίων σε αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια.
«Η σκοτεινή ύλη διαπερνά τα πάντα», λέει η Cabrera. «Δεν κατέρρευσε ποτέ όπως έκανε τα άτομα».
Δεδομένου ότι η σκοτεινή ύλη δεν σχημάτισε ποτέ αστέρια και άλλα γνωστά ουράνια αντικείμενα, για πολύ καιρό οι επιστήμονες δεν ήξεραν ποτέ ότι ήταν εκεί. Η παλαιότερη ένδειξη της ύπαρξής της ήρθε στη δεκαετία του 1930 όταν ο Fritz Zwicky, ένας ελβετός-αμερικανός αστρονόμος, παρατήρησε συστάδες γαλαξιών. Πρόσθεσε τις μάζες των γαλαξιών και παρατήρησε ότι δεν υπήρχε αρκετή μάζα που να αντιστοιχεί στη βαρύτητα που πρέπει να υπάρχει για να συγκρατούν τα σμήνη. Κάτι άλλο πρέπει να παρέχει τη χαμένη μάζα, κατέληξε.
Αργότερα στη δεκαετία του 1970, η Βέρα Ρούμπιν, ένας Αμερικανός αστρονόμος, μέτρησε τις ταχύτητες των αστεριών στον Γαλαξία και άλλους κοντινούς γαλαξίες. Καθώς κοίταξε πιο μακριά προς τα άκρα αυτών των γαλαξιών, διαπίστωσε ότι τα αστέρια δεν περιστρέφονται πιο αργά, όπως περίμεναν οι επιστήμονες. «Αυτό δεν είχε νόημα», λέει η Cabrera. «Ο μόνος τρόπος που θα μπορούσες να καταλάβεις είναι αν υπήρχε πολύ περισσότερη μάζα από αυτό που είδατε στο φως του αστεριού».
Με τα χρόνια, συσσωρεύονται όλο και περισσότερα στοιχεία για σκοτεινή ύλη. Παρόλο που οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμη τι είναι, έχουν καλύτερη ιδέα για το πού είναι και πόσο πρέπει να υπάρχει. «Έχει απομείνει πολύ λίγο χώρο για να έχετε διαφορετικές ποσότητες», λέει η Cabrera.
«Δεν έχουμε δει τίποτα που να μοιάζει με ενδιαφέρον σήμα μέχρι σήμερα», λέει. Όμως οι ερευνητές του CDMS II συνεχίζουν την αναζήτηση. Επίσης, κάνετε και άλλες ομάδες. Το ZEPLIN, ένα πείραμα που διεξήχθη από φυσικούς στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια-Λος Άντζελες και στο Ηνωμένο Βασίλειο Dark Matter Collaboration, στοχεύει να πιάσει WIMP σε υγρούς κάδους ξένου σε ένα ορυχείο κοντά στο Σέφιλντ της Αγγλίας. Και στο Νότιο Πόλο, ένα έργο του Πανεπιστημίου του Ουισκόνσιν-Μάντισον που ονομάζεται IceCube είναι υπό κατασκευή που θα χρησιμοποιήσει οπτικούς αισθητήρες θαμμένους βαθιά στον πάγο για να αναζητήσει νετρίνα, σωματίδια υψηλής ενέργειας που είναι υπογραφές των εκμηδενίσεων WIMP.
Εν τω μεταξύ, το CDMS II συνεχίζει να εξελίσσεται. Οι ερευνητές του χτίζουν μεγαλύτερους και μεγαλύτερους ανιχνευτές για να αυξήσουν τις πιθανότητές τους να βρουν WIMPS. Στο μέλλον, η ομάδα ελπίζει να δημιουργήσει έναν ανιχνευτή 1 τόνου που θα είναι σε θέση να ανακαλύψει πολλούς από τους πιθανούς τύπους WIMPS, εάν υπάρχουν. "Λαμβάνουμε δεδομένα τώρα με περισσότερο από δύο φορές μεγαλύτερη στοχευόμενη μάζα γερμανίου από ό, τι στο παρελθόν, οπότε σίγουρα διερευνούμε νέα περιοχή τώρα", λέει ο Ogburn. "Αλλά υπάρχουν πολλά περισσότερα που πρέπει να καλύψουμε."
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο Τύπου Stanford
