Kreditna slika: Fermilab
S prvim podacima iz njihova podzemnog opservatorija u sjevernoj Minnesoti, znanstvenici Cryogenic Search of Dark Matter ušli su s većom osjetljivošću nego ikad prije u sumnjivo područje WIMPS-a. Posmatranje slabo interaktivnih masivnih čestica moglo bi riješiti dvostruku misteriju tamne materije na kozmičkom mjerilu i supersimetrije na subatomskoj skali.
Rezultat CDMS II, opisan u radu dostavljenim u Physical Review Letters, pokazuje sa 90 posto sigurnosti da stopa interakcije WIMP-a s masom 60 GeV mora biti manja od 4 x 10-43 cm2 ili otprilike jedna interakcija svakih 25 dana po kilogramu od germanija, materijala u detektoru eksperimenta. Ovaj rezultat govori istraživačima više nego što su ikada ranije znali o WIMPS-u, ako postoje. Mjerenja iz CDMS II detektora najmanje su četiri puta osjetljivija od najboljeg prethodnog mjerenja koje je ponudio eksperiment EDELWEISS, podzemni europski eksperiment u blizini Grenoblea, Francuska.
"Zamislite ovu poboljšanu osjetljivost poput novog teleskopa dvostrukog promjera, a time i četiri puta više svjetlosnih kolekcija bilo kojeg prije njega", rekao je svemirski komesar CDMS II Blas Cabrera sa Sveučilišta Stanford. "Sada smo u mogućnosti tražiti signal koji je samo jedna četvrtina svijetao kao bilo koji što smo vidjeli prije. Tijekom sljedećih nekoliko godina, očekujemo da ćemo poboljšati našu osjetljivost za 20 ili više puta. "
Rezultati su predstavljeni na sastanku Američkog fizičkog društva 3. i 4. svibnja u Denveru, Harry Nelson i student poslijediplomskog studija Joel Sanders, oboje sa Kalifornijskog Sveučilišta Santa Barbara, te Gensheng Wang i Sharmila Kamat iz Case Westerna Rezervno sveučilište.
"Znamo da ni naš Standardni model fizike čestica, niti naš model kosmosa nisu potpuni", rekao je glasnogovornik CDMS II Bernard Sadoulet sa Kalifornijskog sveučilišta u Berkeleyu. „Čini se da ovaj nedostajući komad odgovara obema zagonetkama. Vidimo isti oblik iz dva različita smjera. "
WIMP-ovi, koji ne nose naboj, proučavaju kontradikciju. Dok fizičari očekuju da oni imaju oko 100 puta veću masu protona, njihova sablasna priroda omogućuje im da se provuku kroz običnu materiju, ostavljajući jedva trag. Izraz "slabo interaktivni" odnosi se ne na količinu energije deponiranu prilikom interakcije s normalnom materijom, već na činjenicu da oni djeluju izuzetno rijetko. U stvari, čak stotinu milijardi WIMP-a moglo je procuriti kroz vaše tijelo dok ste čitali ovih prvih nekoliko rečenica.
S 48 znanstvenika iz 13 institucija, plus još 28 inženjerskih, tehničkih i administrativnih djelatnika, CDMS II djeluje uz financiranje Ureda znanosti američkog Odjela za energetiku, Odjela za astronomiju i fiziku Nacionalne zaklade za znanost i institucija članica. Nacionalni laboratorij za akceleraciju DOE-a osigurava upravljanje projektima za CDMS II.
"Priroda tamne materije bitna je za naše razumijevanje formiranja i evolucije svemira", rekao je dr. Raymond L. Orbach, direktor Ureda znanosti DOE-a. "Ovaj eksperiment nije mogao uspjeti bez aktivne suradnje Ureda znanosti DOE-a i Nacionalne zaklade za znanost."
Michael Turner, pomoćnik direktora za matematiku i fizikalne znanosti NSF-a, opisao je identificiranje sastava tamne materije kao jedan od velikih izazova i u astrofizici i u fizici čestica.
"Tamna tvar drži sve strukture u svemiru, uključujući naš vlastiti Mliječni put, a još uvijek ne znamo od čega se sastoji tamna tvar", kazao je Turner. „Radna hipoteza je da je to novi oblik materije koji će, ako je točan, baciti svjetlo na unutarnje djelovanje elementarnih sila i čestica. U potrazi za rješenjem ove važne slagalice, CDMS je sada na čelu paketa, a još je jedan faktor 20 osjetljivosti. "
Tamna tvar u svemiru otkriva se kroz njene gravitacijske učinke na svim kozmičkim mjerilima, od rasta strukture u ranom svemiru do stabilnosti galaksija danas. Kozmološki podaci iz mnogih izvora potvrđuju da ta nevidjena tamna tvar ima više od sedam puta veću količinu obične vidljive materije koja tvori zvijezde, planete i druge predmete u svemiru.
"Nešto je vani formiralo galaksije i drži ih danas zajedno, i ono ne emitira niti apsorbira svjetlost", rekao je Cabrera. "Masa zvijezda u galaksiji samo je 10 posto mase cijele galaksije, tako da su zvijezde poput svjetala božićnog drvca koja ukrašavaju dnevni boravak velike mračne kuće."
Fizičari također vjeruju da bi WIMP-ovi mogli biti još uvijek ne-promatrane subatomske čestice zvane neutralinos. To bi bili dokazi za teoriju super-simetrije, uvođenje intrigantne nove fizike izvan današnjeg standardnog modela osnovnih čestica i sila.
Supersimetrijom se predviđa da svaka poznata čestica ima supersimetrični partner s komplementarnim svojstvima, mada još nije primijećen nijedan od ovih partnera. Međutim, mnogi modeli supersimetrije predviđaju da najmanja superpersimetrična čestica, koja se naziva neutralno, ima masu oko 100 puta veću od protona.
"Teoretičari su smislili sve ove takozvane 'super-simetrične partnere' poznatih čestica kako bi objasnili probleme na najsitnijim mjerilima udaljenosti", rekao je Dan Akerib sa sveučilišta Case Western Reserve. "U jednoj od onih fascinantnih veza vrlo velikih i vrlo malih, najlakši od ovih superpartnera mogao bi biti komad slagalice koji nedostaje za objašnjenje onoga što promatramo na ljestvici najveće udaljenosti."
Tim CDMS II prakticira "podzemnu astronomiju", s detektorima čestica smještenih gotovo pola milje ispod zemljine površine u bivšem rudniku željeza u Soudanu, Minnesota. 2.351 stopa zemljine kore štiti kozmičke zrake i čestice pozadine koje proizvode. Detektori su izrađeni od germanija i silicija, poluvodičkih kristala sličnih svojstava. Detektori su ohlađeni na unutar jedne desetine stupnja apsolutne nule, toliko su hladni da molekularno gibanje postaje zanemarivo. Detektori istodobno mjere naboj i vibracije proizvedene interakcijama čestica unutar kristala. WIMPS će signalizirati svoju prisutnost ispuštajući manje naboja od ostalih čestica za istu količinu vibracije.
"Naši detektori djeluju poput teleskopa opremljenog filtrima koji astronomima omogućuju razlikovanje jedne boje svjetlosti od druge", rekao je Dan Bauer iz Fermilaba, menadžer projekta CDMS II. "Samo u našem slučaju pokušavamo filtrirati konvencionalne čestice u korist WIMPS-a od tamne materije."
Fizičar Earl Peterson sa sveučilišta Minnesota nadgleda podzemni laboratorij Soudan, također dom Fermilabovog dugogodišnjeg eksperimenta neutrina, pretraživanja oscilacija glavnog ubrizgavača.
"Uzbuđen sam zbog značajnog novog rezultata CDMS II i čestitam na suradnji", kazao je Peterson. „Drago mi je što su prostori laboratorija Soudan doprinijeli uspjehu CDMS II. A posebno me raduje što je rad Fermilaba i Sveučilišta u Minnesoti na proširivanju Soudanove laboratorije rezultirao vrhunskom novom fizikom. "
Dok CDSMII pretražuje WIMP-ove tijekom sljedećih nekoliko godina, ili će se otkriti tamna tvar našeg svemira ili će veliki izbor super-simetričnih modela biti isključen iz mogućnosti. Bilo kako bilo, eksperiment CDMS II odigrat će veliku ulogu u unapređivanju našeg razumijevanja fizike čestica i kosmosa.
CDMS II institucije koje surađuju uključuju Sveučilište Brown, Case Western Reserve University, Nacionalni laboratorij za akceleraciju Fermi, Nacionalni laboratorij Lawrence Berkeley, Nacionalne institute za standarde i tehnologiju, Sveučilište Princeton, Sveučilište Santa Clara, Sveučilište Stanford, Kalifornijsko sveučilište Berkeley, University of California-Santa Barbara, University of Colorado u Denveru, University of Florida i University of Minnesota.
Fermilab je nacionalna laboratorija Ureda znanosti u DOE-u koja djeluje prema ugovoru Sveučilišna istraživačka udruga, Inc.
Izvorni izvor: Fermilab News Release
