Astronómovia nevedia, čo je temná hmota, ale vedia, že zaberá približne 25% vesmíru. Silný detektor, hlboko pod zemou v ťažobnej šachte v Minnesote by sa mohol dostať na dno tajomstva. Projekt Cryogenic Dark Matter Search II sa pokúsi odhaliť slabé interakcie masívnych častíc (aka WIMPS). Tieto teoretické častice za normálnych okolností interagujú s hmotou, ale môže sa zistiť občasná kolízia.
„Je ťažšie a ťažšie dostať sa preč od skutočnosti, že existuje látka, ktorá tvorí väčšinu vesmíru, ktorú nevidíme,“ hovorí Cabrera. "Hviezdy a galaxie samotné sú ako svetlá vianočných stromčekov na tejto obrovskej lodi, ktorá je temná a ani neabsorbuje ani nevydáva svetlo."
Pochovaný hlboko pod zemou v minafote v Minnesote leží projekt Cabrera s názvom Vyhľadávanie kryogénnych temných látok II (CDMS II). Kalifornský univerzitný fyzik v Berkeley Bernard Sadoulet slúži ako hovorca tohto úsilia. Jeho projektovým manažérom je spoločnosť Fermilab Dan Bauer a zástupcom projektového manažéra je Dan Akerib z Case Western Reserve University. Na projekte spolupracuje tím 46 vedcov z 13 inštitúcií.
Zachytenie WIMP
Experiment je najcitlivejší na svete, ktorého cieľom je odhaliť exotické častice zvané WIMPS (Weakly Interactioning Massive Particles), ktoré sú jedným z najlepších odhadov vedcov o tom, čo tvorí temnú hmotu. Medzi ďalšie možnosti patria neutrína, teoretizované častice nazývané axióny alebo dokonca normálna hmota, ako sú čierne diery a hnedé trpasličie hviezdy, ktoré sú príliš slabé na to, aby sa dali vidieť.
Predpokladá sa, že WIMPS majú neutrálny náboj a vážia viac ako 100-násobok hmotnosti protónu. V súčasnosti tieto elementárne častice existujú iba teoreticky a nikdy neboli pozorované. Vedci sa domnievajú, že ich ešte nenašli, pretože ich je nesmierne ťažké zachytiť. WIMPS neinteragujú s väčšinou látok - plaché častice prechádzajú priamo cez naše telá - ale cieľom CDMS II je zachytiť ich v zriedkavej zrážke s atómami v špeciálnych detektoroch projektu.
"Tieto častice väčšinou prechádzajú Zemou bez rozptylu," hovorí Cabrera. "Jediným dôvodom, prečo máme dokonca šancu vidieť udalosti, je to, že [je] toľko častíc, že len veľmi zriedka jedna príde do detektora a rozptyľuje sa."
Detektory sú ukryté pod vrstvami Zeme v Minnesotskej bani Soudan, aby ich chránili pred kozmickými lúčmi a inými časticami, ktoré by sa mohli zrážať s detektormi a mýliť sa za temnú hmotu. Polovica bitky o vedcov pracujúcich na CDMS II má v skutočnosti čo najviac chrániť ich nástroje pred všetkým, s výnimkou WIMPS, a vyvinúť prepracované systémy na rozlíšenie rozdielu medzi temnou hmotou a viac svetskými časticami.
"Náš detektor je táto vec v tvare hokejového puku, ktorá musí žiť pri 50 tisícinách stupňa nad absolútnou nulou," hovorí Walter Ogburn, postgraduálny študent v Stanforde, ktorý pracuje na projekte. "Je ťažké urobiť veci tak chladné."
Na tento účel sú nástroje uložené v kanistri nazývanom mraziaci box, ktorý je potiahnutý šiestimi vrstvami izolácie, od vonkajšej teploty miestnosti po najchladnejšiu z vnútornej strany. Vďaka tomu sú detektory tak chladné, že sa nemôžu triasť ani atómy.
Detektory sú vyrobené z kryštálov pevného kremíka a pevného germánia. Atómy kremíka alebo germánia sú umiestnené v dokonalej mriežke. Ak do nich WIMPS spadne, budú sa krútiť a vydávať malé balíčky tepla nazývané fonóny. Keď fonóny vystúpia na povrch detektorov, vytvoria zmenu vo veľmi citlivej vrstve volfrámu, ktorú môžu vedci zaznamenať. Druhý obvod na druhej strane detektora meria ióny, nabité častice, ktoré by sa uvoľnili pri zrážke WIMP a atóm v detektore.
„Tieto dva kanály nám umožňujú rozlišovať medzi rôznymi druhmi interakcií,“ hovorí Ogburn. "Niektoré veci robia viac ionizácie a iné veci menej, takže týmto spôsobom môžeš rozlíšiť rozdiel."
Stavba detektorov vyžaduje skupinu vedcov z viacerých zariadení. Tím kupuje kryštály od vonkajšej spoločnosti a vedci z Stanfordského centra pre integrované systémy vyrábajú meracie prístroje na povrchoch detektorov. „Rovnaké veci používame na to, aby ľudia vyrábali mikroprocesory, pretože tie sú tiež veľmi malé,“ hovorí Matt Pyle, ďalší postgraduálny študent v laboratóriu spoločnosti Cabrera.
Zhluky kľúčov
Podskupina WIMPS, nazývaná neutrálne, sú najľahšie častice očakávané supersymetriou, teória, ktorá predpovedá mate pre každú časticu, ktorú sme už pozorovali. Ak je CDMS II úspešný pri hľadaní neutrálnych látok, bol by to prvý dôkaz supersymetrie. „Supersymetria naznačuje, že existujú častice, ktoré sú partnermi našich existujúcich častíc,“ hovorí Cabrera. „Existuje veľa spôsobov, ako vyzerá supersymetria veľmi pravdepodobne. Zatiaľ však neexistuje žiadny priamy dôkaz o tom, že by zodpovedajúci pár [supersymetrických] častíc zodpovedal. “
Slabé interakcie WIMPS sú dôvodom, prečo, hoci častice temnej hmoty majú hmotu a dodržiavajú zákony gravitácie, nezhlukujú sa do galaxií a hviezd ako normálna hmota. Aby sa hrudky zhlukli, častice sa musia zrútiť a držať spolu. WIMPS však najčastejšie lietali priamo pri sebe. Navyše, pretože WIMPS sú neutrálne, netvoria atómy, ktoré vyžadujú príťažlivosť kladne nabitých protónov k záporne nabitým elektrónom.
„Temná hmota prechádza všetkým,“ hovorí Cabrera. "Jednoducho sa nikdy nezrútil ako atómy."
Pretože temná hmota nikdy nevytvorila hviezdy a iné známe nebeské objekty, vedci nikdy vedeli, že tam sú. Najstaršia zmienka o jeho existencii prišla v 30. rokoch 20. storočia, keď švajčiarsko-americký astronóm Fritz Zwicky pozoroval zhluky galaxií. Sčítal množstvo galaxií a všimol si, že nie je dosť hmoty na to, aby zodpovedala gravitácii, ktorá musí existovať, aby mohla zhluky držať pohromade. Z toho odvodil aj niečo iné, čo musí poskytnúť chýbajúcu omšu.
Neskôr v sedemdesiatych rokoch americký astronóm Vera Rubin meral rýchlosti hviezd v Mliečnej dráhe a ďalších blízkych galaxiách. Keď sa pozerala ďalej smerom k okrajom týchto galaxií, zistila, že hviezdy sa neotáčajú pomalšie, ako vedci očakávali. "To nedávalo zmysel," hovorí Cabrera. "Jediný spôsob, ako tomu môžete rozumieť, je, že tam bolo omnoho viac hmoty, ako ste videli v hviezdnom svetle."
V priebehu rokov sa zhromažďovalo stále viac dôkazov o temnej hmote. Hoci vedci ešte nevedia, čo to je, majú lepšiu predstavu o tom, kde to je a koľko by malo byť. "Zostáva len veľmi málo krútiaceho priestoru pre rôzne množstvá," hovorí Cabrera.
„Nevideli sme nič, čo by vyzeralo ako zaujímavý signál k dnešnému dňu,“ hovorí. Vedci CDMS II však pokračujú vo výskume. Takisto urobte ďalšie skupiny. Cieľom experimentu ZEPLIN, ktorý uskutočňujú fyzici na Kalifornskej univerzite v Los Angeles a Spojenom kráľovstve v spolupráci s temnými látkami, je zachytiť WIMP v tekutých nádobách xenónu v bani neďaleko Sheffieldu v Anglicku. A na južnom póle sa pripravuje projekt University of Wisconsin-Madison s názvom IceCube, ktorý bude používať optické senzory uložené hlboko v ľade na hľadanie neutrín, vysokoenergetických častíc, ktoré sú podpismi zničenia WIMP.
Medzitým sa CDMS II neustále vyvíja. Jeho vedci stavajú väčšie a väčšie detektory, aby zvýšili svoje šance na nájdenie WIMPS. V budúcnosti tím dúfa, že postaví 1-tonový detektor, ktorý by mal byť schopný objaviť mnoho z najpravdepodobnejších typov WIMPS, ak existujú. „Teraz berieme údaje s viac ako dvojnásobným množstvom cieľového množstva germánia, ako sme mali predtým, takže práve teraz skúmame nové teritórium,“ hovorí Ogburn. "Ale je toho oveľa viac."
Pôvodný zdroj: Stanford News Release
