Astronomai nežino, kas yra tamsiosios materijos, tačiau jie žino, kad ji užima maždaug 25% Visatos. Galingas detektorius, esantis giliai po žeme Minesotos šachtoje, gali padėti patekti į paslapties dugną. „Cryogenic Dark Matter Search II“ projektas bandys aptikti silpnai sąveikaujančias masyvias daleles (dar žinomas kaip WIMPS). Šios teorinės dalelės paprastai nesąveikauja su medžiaga, tačiau retą susidūrimą gali būti galima aptikti.
„Sunkiau ir sunkiau atsiriboti nuo to, kad ten yra medžiaga, kuri sudaro didžiąją dalį visatos, kurios mes nematome“, - sako Cabrera. „Pačios žvaigždės ir galaktikos yra tarsi kalėdinės eglutės žiburiai ant šio didžiulio laivo, kuris yra tamsus ir nei sugeria, nei skleidžia šviesą.“
Palaidotas giliai po žeme Minesotos šachtoje, yra Cabrera projektas, vadinamas II kriogeninės tamsiosios medžiagos paieška (CDMS II). Kalifornijos universiteto Berklio universiteto fizikas Bernardas Sadouletas yra pastangų atstovas. „Fermilab“ vadovas Danas Baueris yra jo projektų vadovas, o Danas Akeribas iš Case Western Reserve universiteto yra projekto vadovo pavaduotojas. Projekte bendradarbiauja 46 mokslininkų komanda iš 13 institucijų.
Norėdami sugauti WIMP
Šis eksperimentas yra jautriausias pasaulyje, kurio tikslas yra aptikti egzotines daleles, vadinamąsias WIMPS (silpnai sąveikaujančios masyviosios dalelės), kurios yra vienas geriausių mokslininkų spėjimų, kas sudaro tamsiąją medžiagą. Prie kitų variantų priskiriami neutrinai, teorizuotos dalelės, vadinamos ašimis, ar net normali medžiaga, pavyzdžiui, juodosios skylės ir rudosios nykštukinės žvaigždės, kurios yra tiesiog silpnos, kad būtų galima pamatyti.
Manoma, kad WIMPS yra neutralus krūvis ir sveria daugiau nei 100 kartų daugiau nei protonas. Šiuo metu šios elementariosios dalelės egzistuoja tik teoriškai ir niekada nebuvo pastebėtos. Mokslininkai mano, kad jų dar nerado, nes juos nepaprastai sunku užfiksuoti. WIMPS nebendrauja su dauguma medžiagų - drovios dalelės praeina tiesiai per mūsų kūnus - tačiau CDMS II siekia jas sugauti retai susidūrus su projekto specialiuose detektoriuose esančiais atomais.
„Šios dalelės daugiausia praeina per Žemę neišsisklaidydamos“, - sako Cabrera. „Vienintelė priežastis, dėl kurios mes net turime galimybę pamatyti įvykius, yra todėl, kad [yra] tiek dalelių, kad labai retai kuri ateis [į detektorių] ir išsisklaidys“.
Minesotos Soudan kasykloje detektoriai yra paslėpti po žemės sluoksniais, kad apsaugotų juos nuo kosminių spindulių ir kitų dalelių, kurios gali susidurti su detektoriais ir būti klaidingai suprastos dėl tamsiosios medžiagos. Tiesą sakant, pusė mokslininkų, dirbančių su CDMS II, kovos yra kuo labiau apsaugoti savo instrumentus nuo visko, išskyrus WIMPS, ir sukurti sudėtingas sistemas, kurios nurodytų skirtumą tarp tamsiosios medžiagos ir daugiau kasdieniškų dalelių.
„Mūsų detektorius yra šis ledo ritulio formos rutulys, kuriam reikia gyventi 50 tūkstantųjų laipsnių aukščiau absoliutaus nulio“, - sako Walter Ogburn, Stanfordo universiteto studentas, dirbantis prie projekto. „Sunku padaryti dalykus tokius šaltus.“
Šiuo tikslu instrumentai įstatomi į skardinę, vadinamą ledo dėžute, išklotą šešiais izoliacijos sluoksniais, pradedant nuo kambario temperatūros išorėje ir šalčiausi jos viduje. Tai saugo detektorius taip šaltai, kad net atomai negali drebėti.
Detektoriai yra pagaminti iš kieto silicio ir kieto germanio kristalų. Silicio arba germanio atomai vis dar slypi tobulame tinklelyje. Jei WIMPS užklupo juos, jie susivynios ir atiduos mažus paketus šilumos, vadinamus fononais. Kai fononai pakyla į detektorių paviršių, jie keičia labai jautrų volframo sluoksnį, kurį tyrėjai gali užfiksuoti. Antroji grandinė, esanti kitoje detektoriaus pusėje, matuoja jonus, įkrautas daleles, kurios būtų išlaisvintos susidūrus WIMP ir detektoriui.
„Šie du kanalai leis mums atskirti skirtingas sąveikas“, - sako Ogburn. „Kai kurie dalykai labiau jonizuoja, o kai kurie daro mažiau, todėl galite taip pasakyti skirtumą“.
Detektoriams pastatyti reikia būrio mokslininkų keliose vietose. Komanda perka kristalus iš išorės įmonės, o Stanfordo integruotų sistemų centro tyrėjai gamina matavimo prietaisus ant detektorių paviršiaus. „Gamindami tuos pačius dalykus, kuriuos žmonės naudoja mikroprocesoriams gaminti, mes naudojame tuos pačius dalykus, nes jie taip pat yra labai maži“, - sako Mattas Pyle'as, kitas Cabrera laboratorijos magistrantas.
Įkalčių gumulėliai
Pogrupis WIMPS, vadinamas neutralinos, yra lengviausios dalelės, kurių tikimasi iš supersimetrijos. Ši teorija numato, kad kiekviena dalelė, kurią mes jau pastebėjome, yra mate. Jei CDMS II pavyktų surasti neutralus, tai būtų pirmasis supersimetrijos įrodymas. „Supersimetrija rodo, kad dalelių, kurios yra mūsų esamų dalelių partnerės, yra visai kitas sektorius“, - sako Cabrera. „Supersimetrija labai tikėtina daugybe būdų. Bet dar nėra jokių tiesioginių įrodymų, kad būtų suderinta [supersimetrinė] dalelių pora. “
Dėl silpnos WIMPS sąveikos, nors tamsiosios materijos dalelės turi masę ir paklūsta gravitacijos dėsniams, jos nelipo į galaktikas ir žvaigždes kaip įprasta materija. Norėdami susikaupti, dalelės turi sudužti ir sulipti. Tačiau WIMPS dažniausiai skraido vienas šalia kito. Be to, kadangi WIMPS yra neutralūs, jie nesudaro atomų, todėl teigiamai įkrautus protonus reikia pritraukti prie neigiamai įkrautų elektronų.
„Tamsioji materija persmelkia viską“, - sako Cabrera. „Tiesiog niekada nesugriuvo taip, kaip darė atomai“.
Kadangi tamsiosios materijos niekada nesudarė žvaigždės ir kiti pažįstami dangaus objektai, mokslininkai ilgą laiką niekada nežinojo, kad ji ten yra. Ankstyviausi jo egzistavimo požymiai atsirado praėjusio amžiaus 3-ajame dešimtmetyje, kai Šveicarijos ir Amerikos astronomas Fritzas Zwicky stebėjo galaktikų grupes. Jis sudėjo galaktikų mases ir pastebėjo, kad nėra pakankamai masės, kad būtų galima atsižvelgti į sunkumą, kuris turi egzistuoti, kad būtų laikomasi grupių. Kažkas kitas turi pateikti trūkstamą masę, jis padarė išvadą.
Vėliau, aštuntajame dešimtmetyje, Vera Rubin, amerikiečių astronomė, išmatavo žvaigždžių greitį Paukščių Take ir kitose šalia esančiose galaktikose. Pažvelgusi toliau link šių galaktikų kraštų, ji pastebėjo, kad žvaigždės nesisuka lėčiau, nei tikėjosi mokslininkai. „Tai neturėjo jokios prasmės“, - sako Cabrera. „Vienintelis būdas tai suprasti yra tada, jei ten būtų daug daugiau mišių nei tai, ką matėte žvaigždės šviesoje“.
Bėgant metams susikaupė vis daugiau tamsiosios medžiagos įrodymų. Nors mokslininkai dar nežino, kas tai yra, jie geriau supranta, kur ji yra ir kiek turėtų būti. „Liko labai nedaug erdvės, kad būtų galima turėti skirtingus kiekius“, - sako Cabrera.
„Mes nematėme nieko, kas iki šiol atrodo įdomus signalas“, - sako jis. Bet CDMS II tyrėjai tęsia paiešką. Taigi, darykite ir kitas grupes. Kalifornijos universiteto ir Los Andželo bei Jungtinės Karalystės „Dark Matter Collaboration“ fizikų vykdomas eksperimentas „ZEPLIN“ siekia sugauti WIMP skystuose ksenono rezervuaruose kasykloje netoli Šefildo, Anglijoje. Pietų ašigalyje yra statomas Viskonsino ir Madisono universiteto projektas „IceCube“, kuris panaudos optinius jutiklius, palaidotus giliai lede, norėdamas ieškoti neutrinų, didelės energijos dalelių, kurios yra WIMP sunaikinimo signalai.
Tuo tarpu CDMS II toliau vystosi. Jos tyrėjai stato vis didesnius detektorius, kad padidintų jų galimybes rasti WIMPS. Ateityje komanda tikisi sukurti 1 tonos detektorių, kuris turėtų padėti atrasti daugelį labiausiai tikėtinų WIMPS tipų, jei tokių yra. „Mes dabar imamės duomenų, turinčių daugiau nei dvigubai didesnę germanio tikslinę masę, nei turėjome anksčiau, todėl šiuo metu tikrai tyrinėjame naują teritoriją“, - sako Ogburn. „Tačiau dar yra daug daugiau.“
Originalus šaltinis: „Stanford News“ leidimas
