Astronomi ne znaju što je tamna tvar, ali znaju da ona zauzima oko 25% svemira. Snažni detektor, duboko pod zemljom rudarskog okna u Minnesoti, mogao bi uspjeti doći do dna misterije. Projekt Cryogenic Dark Matter Search II pokušat će otkriti slabo interaktivne masivne čestice (aka WIMPS). Te teorijske čestice obično ne stupaju u interakciju sa materijom, ali povremeni rijetki sudari mogu se otkriti.
"Sve je teže i teže se odmaknuti od činjenice da postoji tvar koja čini većinu svemira koju ne možemo vidjeti", kaže Cabrera. "Zvijezde i galaksije su poput svjetla božićnog drvca na ovom ogromnom brodu koji je mračan i ne apsorbira niti emitira svjetlost."
Ukopan duboko u podzemlje, u minskoj osovini u Minnesoti, nalazi se projekt Cabrera, nazvan Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). Glasnogovornik fizike sa Sveučilišta California-Berkeley Bernard Sadoulet služi kao glasnogovornik napora. Fermilabov Dan Bauer njezin je voditelj projekata, a Dan Akerib sa Case Western Reserve University zamjenik voditelja projekata. Tim od 46 znanstvenika iz 13 institucija surađuje na projektu.
Da biste uhvatili WIMP
Eksperiment je najosjetljiviji na svijetu koji ima za cilj otkriti egzotične čestice zvane WIMPS (slabo interaktivne masivne čestice), koje su jedno od najboljih nagađanja znanstvenika o tome što čini tamnu tvar. Ostale opcije uključuju neutrine, teoretizirane čestice koje se nazivaju aksijama ili čak i normalnu tvar poput crnih rupa i smeđih patuljastih zvijezda koje su jednostavno previše slabe.
Smatra se da su WIMPS neutralni i imaju težinu više od 100 puta veću od mase protona. U ovom trenutku ove elementarne čestice postoje samo u teoriji i nikad ih nisu opažene. Znanstvenici misle da ih još nisu pronašli jer ih je teško snimiti. WIMPS ne komuniciraju s većinom materije - stidljive čestice prolaze točno kroz naša tijela - ali cilj CDMS II je da ih uhvati u rijetkom sudaru s atomima u posebno izrađenim detektorima.
"Te čestice uglavnom prolaze kroz Zemlju, a ne raspršuju se", kaže Cabrera. "Jedini razlog zašto uopće imamo priliku vidjeti događaje je taj što [postoji] toliko mnogo čestica da vrlo rijetko jedna dođe [u detektor] i rasprši se."
Detektori su skriveni ispod slojeva zemlje u Rudniku Soudan u Minnesoti kako bi ih zaštitili od kozmičkih zraka i drugih čestica koje bi se mogle sudariti s detektorima i zabuniti u tamnoj materiji. Zapravo, pola bitke za znanstvenike koji rade na CDMS II jest zaštititi svoje instrumente što je više moguće od svega, osim WIMPS-a, i razviti složene sustave koji će reći razliku između tamne materije i više svjetovnih čestica.
"Naš je detektor ta hokeja-pak pak stvar koja treba živjeti na 50-ak tisuća stupnjeva iznad apsolutne nule", kaže Walter Ogburn, student poslijediplomskog studija na Stanfordu koji radi na projektu. "Teško je učiniti stvari tako hladnim."
U tu svrhu instrumenti su smješteni u kanisteru zvanom ledenica, obloženom sa šest slojeva izolacije, od sobne temperature s vanjske strane do najhladnije iznutra. Zbog toga su detektori toliko hladni da čak ni atomi ne mogu drhtati.
Detektori su izrađeni od kristala čvrstog silicija i čvrstog germanija. Atomi silicija ili germanija još uvijek stoje u savršenoj rešetki. Ako se WIMPS sruši na njih, pomilovat će se i odavati malene paketiće topline zvane fononi. Kad se fononi uzdignu na površinu detektora, oni stvaraju promjenu u vrlo osjetljivom sloju volframa, koji istraživači mogu zabilježiti. Drugi krug na drugoj strani detektora mjeri ione, nabijene čestice koje bi se oslobodile od sudara WIMP-a i atoma u detektoru.
"Ta dva kanala omogućuju nam razlikovanje različitih vrsta interakcija", kaže Ogburn. "Neke stvari čine veću ionizaciju, a neke manje, tako da na taj način možete uočiti razliku."
Za izgradnju detektora potreban je skup znanstvenika u više objekata. Tim kupuje kristale od vanjske tvrtke, a istraživači u Stanfordovom Centru za integrirane sustave izrađuju mjerne instrumente na površinama detektora. „Koristimo iste stvari kako bismo ih napravili za izradu mikroprocesora, jer su i oni super sitni“, kaže Matt Pyle, još jedan diplomski student u Cabrerinoj laboratoriji.
Grudice tragova
Podskup WIMPS-a, nazvan neutralinos, najlakše su čestice koje očekuje supersimetrija, teorija koja predviđa matematiku za svaku česticu koju smo već opazili. Ako je CDMS II uspješan u pronalaženju neutralnih tona, to bi bio prvi dokaz superpersimetrije. "Supersimetrija sugerira da postoji čitav drugi sektor čestica koje su partneri našim postojećim česticama", kaže Cabrera. „Postoji mnogo načina na koje superpersimetrija izgleda vrlo vjerovatno. Ali još uvijek nema izravnih dokaza za podudaranje parova čestica.
Slabe interakcije WIMPS-a su zašto, iako čestice tamne materije imaju masu i pokoravaju se zakonima gravitacije, ne ulaze u galaksije i zvijezde poput normalne materije. Da bi se zgrušile, čestice se moraju srušiti i lijepiti. Ali WIMPS bi najčešće letio jedno pored drugog. Osim toga, zato što su WIMPS neutralni, ne tvore atome, što zahtijeva privlačenje pozitivno nabijenih protona na negativno nabijene elektrone.
"Tamna materija prožima sve", kaže Cabrera. "Nikada se nije srušio kao što su to činili atomi."
Budući da tamna tvar nikada nije formirala zvijezde i druge poznate nebeske objekte, znanstvenici dugo vremena nisu znali da je tamo. Najraniji pokazatelji njegovog postojanja pojavili su se tridesetih godina prošlog stoljeća kada je Fritz Zwicky, švicarsko-američki astronom, promatrao nakupine galaksija. Zbrojio je mase galaksija i primijetio da nema dovoljno mase da bi se izračunala gravitacija koja mora postojati da bi držali grozdove zajedno. Nešto drugo mora osigurati nestalu masu, zaključio je.
Kasnije, 1970-ih, Vera Rubin, američka astronomka, izmjerila je brzine zvijezda u Mliječnom putu i drugim obližnjim galaksijama. Dok je gledala dalje prema rubovima tih galaksija, otkrila je da se zvijezde ne okreću sporije kako su znanstvenici očekivali. "To nije imalo smisla", kaže Cabrera. "Jedini način na koji biste to mogli razumjeti je da je tamo bila puno veća masa od one koju ste vidjeli na suncu."
Tijekom godina, nakupljalo se sve više dokaza o tamnoj materiji. Iako znanstvenici još ne znaju što je, oni imaju bolju predodžbu o tome gdje je i koliko toga treba biti. "Ostalo je vrlo malo prostora za wigling za različite količine", kaže Cabrera.
"Do danas nismo vidjeli ništa što nalikuje zanimljivom signalu", kaže on. No, istraživači CDMS II nastavljaju potragu. Tako je i s drugim skupinama. ZEPLIN, pokus koji su proveli fizičari na Sveučilištu Kalifornija-Los Angeles i kolaboraciji Dark Matter kolaboracije u Velikoj Britaniji, ima za cilj uhvatiti WIMP-ove u posudama s tekućinom ksenonom u rudniku u blizini Sheffielda u Engleskoj. A na Južnom polu, u izradi je projekt Sveučilišta Wisconsin-Madison pod nazivom IceCube koji će koristiti optičke senzore zakopane duboko u ledu za traženje neutrina, visokoenergetskih čestica koje su znak uništenja WIMP-a.
U međuvremenu, CDMS II nastavlja se razvijati. Njeni istraživači grade sve veće i veće detektore kako bi povećali svoje šanse da pronađu WIMPS. U budućnosti se tim nada da će izraditi detektor od 1 tone koji bi trebao biti u stanju otkriti mnoge najvjerojatnije vrste WIMPS-a, ako postoje. "Sada uzimamo podatke s više od dvostruko većom ciljanom masom germanija nego što smo imali prije, tako da definitivno upravo sada istražujemo novi teritorij", kaže Ogburn. "Ali tu je još puno toga za pokriti."
Izvorni izvor: Stanford News Release
