Астрономи не знају шта је тамна материја, али знају да она заузима око 25% Универзума. Моћан детектор, дубоко под земљом у минској осовини у Минесоти, могао би да успе до дна мистерије. Пројект Цриогениц Дарк Маттер Сеарцх ИИ покушаће открити слабо интерактивне масивне честице (ака ВИМПС). Ове теоријске честице обично не комуницирају са материјом, али повремени ретки судари могу се открити.
"Све је теже и теже одвојити се од чињенице да постоји супстанца која чини већину свемира коју не можемо видети", каже Цабрера. „Сама звезда и галаксије су попут светла божићног дрвца на овом огромном броду који је мрачан и не апсорбује нити емитује светлост.“
Сахрањен дубоко под земљом у рударском окну у Минесоти, налази се пројекат Цабрера, назван Цриогениц Дарк Маттер Сеарцх ИИ (ЦДМС ИИ). Физичар Универзитета Калифорнија-Беркелеи Бернард Садоулет служи као портпарол овог напора. Фермилабов Дан Бауер је његов менаџер пројеката, а Дан Акериб са Универзитета Цасе Вестерн Ресерве је заменик менаџера пројеката. Тим од 46 научника из 13 институција сарађује на пројекту.
Да ухватим ВИМП
Експеримент је најосетљивији на свету који има за циљ да открије егзотичне честице зване ВИМПС (слабо интерактивне масивне честице), које су једно од најбољих нагађања научника о томе шта чини тамна материја. Остале опције укључују неутрине, теоретизиране честице које се називају аксијама или чак нормалне материје попут црних рупа и смеђих патуљастих звезда које су превише сувише слабе да се виде.
Сматра се да су ВИМПС неутрални и имају тежину више од 100 пута већу од масе протона. Тренутно те елементарне честице постоје само у теорији и никада нису посматране. Научници мисле да их још нису пронашли јер их је тешко снимити. ВИМПС не комуницирају са већином материје - стидљиве честице пролазе тачно кроз наша тела - али ЦДМС ИИ има за циљ да их ухвати у ретком судару са атомима у специјално направљеним детекторима.
„Те честице углавном пролазе кроз Земљу без расејања“, каже Цабрера. "Једини разлог зашто чак имамо шансу да видимо догађаје је тај што [постоји] толико много честица да врло ретко једна дође [у детектор] и распрши се."
Детектори су сакривени под слојевима земље у Руднику Соудан у Минесоти како би их заштитили од космичких зрака и других честица које би се могле сударити са детекторима и погрешно их заменити. У ствари, половина битке за научнике који раде на ЦДМС ИИ је да заштите своје инструменте што је више могуће од свега, осим ВИМПС-а, и да развију сложене системе који ће објаснити разлику између тамне материје и више животних честица.
"Наш детектор је ова ствар у облику хокеја који има потребу да живи на 50 хиљада степени изнад апсолутне нуле", каже Валтер Огбурн, дипломски студент на Станфорду који ради на пројекту. „Тешко је учинити ствари тако хладним.“
У ту сврху инструменти су смештени у канистеру званом леденица, обложеном са шест слојева изолације, од собне температуре са спољашње стране до најхладније изнутра. Због тога су детектори толико хладни да се чак ни атоми не могу трести.
Детектори су направљени од кристала чврстог силицијума и чврстог германијума. Атоми силицијума или германија су још увек у савршеној решетки. Ако ВИМПС упадне у њих, они ће се махнути и одавати малене пакетиће топлоте који се називају фонони. Када се фонони уздижу на површину детектора, они стварају промену у веома осетљивом слоју волфрама, који истраживачи могу да забиљеже. Други круг на другој страни детектора мери јоне, наелектрисане честице које би се ослободиле од судара ВИМП-а и атома у детектору.
„Та два канала омогућавају нам да разликујемо различите врсте интеракција“, каже Огбурн. „Неке ствари чине већу ионизацију, а неке мање, тако да на тај начин можете открити разлику.“
За изградњу детектора потребан је одред научника у више објеката. Тим купује кристале од спољне компаније, а истраживачи у Станфордовом Центру за интегрисане системе праве мерне инструменте на површинама детектора. „Исте ствари користимо да бисмо их искористили за прављење микропроцесора, јер су такође супер ситни“, каже Матт Пиле, још један дипломски студент у Цабрериној лабораторији.
Групе трагова
Подскуп ВИМПС-а, назван неутралинос, најлакше су честице које очекује суперсиметрија, теорија која предвиђа математику за сваку честицу коју смо већ приметили. Ако је ЦДМС ИИ успешан у проналажењу неутралности, то би био први доказ за супер-симетрију. „Суперсиметрија показује да постоји читав други сектор честица које су партнери нашим постојећим честицама“, каже Цабрера. „Постоји много начина на које суперсиметрија изгледа врло вероватно. Али још увек нема директних доказа за подударност [суперсиметричних] парова честица. "
Слабе интеракције ВИМПС-а су зашто, иако честице тамне материје имају масу и покоравају се законима гравитације, оне се не уклапају у галаксије и звезде попут нормалне материје. Да би се згрушиле, честице се морају срушити и лијепити. Али ВИМПС би најчешће летели једно поред другог. Осим тога, пошто су ВИМПС неутрални, они не формирају атоме, што захтева привлачење позитивно наелектрисаних протона на негативно наелектрисане електроне.
„Тамна материја прожима све“, каже Цабрера. "Никада се није срушио онако како су радили атоми."
Пошто тамна материја никада није формирала звезде и друге познате небеске објекте, научници дуго времена нису знали да је тамо. Најранији показатељи његовог постојања појавили су се тридесетих година прошлог века када је Фритз Звицки, швајцарско-амерички астроном, посматрао накупине галаксија. Додао је масе галаксија и приметио да нема довољно масе да би се израчунала гравитација која мора постојати да би држали кластере заједно. Нешто друго мора пружити несталу масу, закључио је.
Касније, током 1970-их, Вера Рубин, америчка астрономка, мерила је брзине звезда у Млечном путу и другим оближњим галаксијама. Док је гледала даље према ивицама ових галаксија, открила је да се звезде не окрећу спорије како су научници очекивали. "То није имало смисла", каже Цабрера. "Једини начин да то схватите је да је тамо била пуно већа маса од оне коју сте видели на звезди."
Током година, све је више доказа о тамној материји. Иако научници још увек не знају шта је то, они имају бољу представу о томе где је то и колико тога треба да буде. „Остало је врло мало простора за мажење због различитих количина“, каже Цабрера.
„До данас нисмо видели ништа што би изгледало као занимљив сигнал“, каже он. Али истраживачи ЦДМС ИИ настављају потрагу. Тако је и са другим групама. ЗЕПЛИН, експеримент који су водили физичари са Калифорнијског универзитета у Лос Анђелесу и колаборација Дарк Маттер колаборације, има за циљ да ухвати ВИМП-ове у течним посудама ксенона у руднику у близини Схеффиелда у Енглеској. А на Јужном полу, гради се пројекат Универзитета Висцонсин-Мадисон под називом ИцеЦубе који ће користити оптичке сензоре дубоко у леду за тражење неутрина, високоенергетских честица које су знак ВИМП уништења.
У међувремену, ЦДМС ИИ наставља да се развија. Њени истраживачи граде све веће и веће детекторе како би повећали своје шансе да пронађу ВИМПС. У будућности се тим нада да ће изградити детектор од једне тоне који би требало да буде у стању да открије многе од највероватнијих типова ВИМПС-а, ако постоје. „Сада узимамо податке са више него двоструко већом циљном масом германија него што смо је имали до сад, тако да дефинитивно истражујемо нову територију тренутно“, каже Огбурн. „Али има много више за покривање.“
Изворни извор: Станфорд Невс Релеасе
