Астрономи не знають, що таке темна речовина, але вони знають, що вона займає приблизно 25% Всесвіту. Потужний детектор, глибоко під землею в шахтному валу в штаті Міннесота, можливо, зможе дістати до низу таємниці. Проект Cryogenic Dark Matter Search II намагатиметься виявити слабко взаємодіючі масивні частинки (ака WIMPS). Ці теоретичні частинки зазвичай не взаємодіють із речовиною, але іноді можна зустріти рідкісне зіткнення.
"Це важче і важче відійти від того, що там є речовина, яка складає більшу частину Всесвіту, яку ми не можемо побачити", - каже Кабрера. "Самі зірки та галактики - це як вогні ялинки на цьому величезному кораблі, який темний і не поглинає і не випромінює світло".
Похований глибоко під землею мінний вал у штаті Міннесота - це проект Кабрери, який називається Кріогенний пошук темної матерії II (CDMS II). Фізик Каліфорнійсько-Беркліського університету Бернар Садулет виступає речником цих зусиль. Фермілаб Дан Бауер є його керівником, а Ден Акеріб із Кейс Вестерн Резерв Університетом - заступником керівника проекту. Команда з 46 вчених у 13 установах співпрацює над проектом.
Щоб зловити WIMP
Експеримент є найчутливішим у світі, спрямований на виявлення екзотичних частинок під назвою WIMPS (Слабо взаємодіючі масивні частинки), які є одним із найкращих здогадок вчених про те, що складається з темної матерії. Інші варіанти включають нейтрино, теоретизовані частинки, які називаються аксіонами або навіть нормальною речовиною, як чорні діри та коричневі карликові зірки, які просто занадто слабкі, щоб побачити.
Вважається, що WIMPS мають нейтральний заряд і важать більше 100 разів більше маси протона. На даний момент ці елементарні частинки існують лише теоретично і їх ніколи не спостерігали. Вчені вважають, що ще не знайшли їх, бо їх важко захопити. WIMPS не взаємодіє з більшістю матерії - сором'язливі частинки проходять прямо через наші тіла, але CDMS II має на меті впіймати їх у рідкісному зіткненні з атомами в спеціально створених детекторах проекту.
"Ці частинки здебільшого проходять через Землю без розсіювання", - каже Кабрера. "Єдина причина, у якої ми навіть маємо шанс побачити події, це тому, що [є] стільки частинок, що дуже рідко одна потрапляє [в детектор] і розсипається".
Детектори ховаються під шарами землі в шахті Міннесоти Судан, щоб захистити їх від космічних променів та інших частинок, які можуть зіткнутися з детекторами і помилитися з темною речовиною. Насправді, половина битви для науковців, які працюють над CDMS II, полягає в тому, щоб захистити свої інструменти якнайбільше від усього, крім WIMPS, та розробити досконалі системи, щоб визначити різницю між темною речовиною та більш мирськими частинками.
"Наш детектор - це річ у формі хокею, яка повинна жити на 50 тисячних градусах вище абсолютного нуля", - каже Уолтер Огберн, аспірант Стенфорда, який працює над проектом. "Важко зробити так холодно".
З цією метою інструменти розміщуються в каністрі під назвою льодовий ящик, викладений шести шарами ізоляції, від кімнатної температури зовні і до найхолоднішої зсередини. Це тримає сповіщувачі так холодно, що навіть атоми не можуть тремтіти.
Детектори виготовлені з кристалів твердого кремнію та твердого германію. Атоми кремнію чи германію нерухомо сидять у ідеальній решітці. Якщо WIMPS вріжеться в них, вони будуть хитатися і видавати крихітні пакети тепла, звані фононами. Коли фонони піднімаються на поверхню детекторів, вони створюють зміну дуже чутливого шару вольфраму, який можуть записувати дослідники. Другий ланцюг з іншого боку детектора вимірює іони, заряджені частинки, які будуть звільнені від зіткнення WIMP та атома в детекторі.
"Ці два канали дозволяють нам розрізняти різного роду взаємодії", - каже Огберн. "Деякі речі роблять більше іонізації, а деякі - менше, тому ви можете вказати різницю таким чином".
Для створення сповіщувачів потрібен загін вчених на декількох об'єктах. Команда купує кристали у зовнішньої компанії, а дослідники Центру інтегрованих систем Стенфорда роблять вимірювальні прилади на поверхнях детекторів. "Ми використовуємо ті самі речі, щоб зробити це тим, що люди використовують для виготовлення мікропроцесорів, тому що вони теж надзвичайно крихітні", - каже Метт Пейл, ще один аспірант в лабораторії Кабрери.
Згустки доказів
Підмножина WIMPS, яка називається нейтраліносом, - це найлегші частинки, на які очікується суперсиметрія, теорія, яка передбачає, що для кожної частинки ми вже спостерігали частинку. Якщо CDMS II має успіх у пошуку нейтраліно, це буде першим свідченням суперсиметрії. "Суперсиметрія передбачає, що там є цілий інший сектор частинок, які є партнерами наших діючих частинок", - говорить Кабрера. «Існує багато способів, коли суперсиметрія виглядає дуже ймовірною. Але поки немає прямих доказів для відповідності [надсиметричної] пари частинок. "
Слабка взаємодія WIMPS полягає в тому, що, хоча частинки темної матерії мають масу і підкоряються законам гравітації, вони не збиваються в галактики та зірки, як нормальна матерія. Для того, щоб збитися, частинки повинні руйнуватися і злипатися. Але WIMPS найчастіше летіли б прямо один біля одного. Плюс до того, що WIMPS нейтральні, вони не утворюють атомів, які вимагають залучення позитивно заряджених протонів до негативно заряджених електронів.
"Темна матерія пронизує все", - каже Кабрера. "Він ніколи не руйнувався так, як це робили атоми".
Оскільки темна матерія ніколи не утворювала зірок та інших знайомих небесних об’єктів, вчені довгий час ніколи не знали, що вона там є. Найперші вказівки на його існування з'явилися в 1930-х роках, коли Фріц Цвікі, швейцарсько-американський астроном, спостерігав скупчення галактик. Він додав маси галактик і зауважив, що не вистачає маси для врахування сили тяжіння, яка повинна існувати, щоб утримувати скупчення. Щось інше повинно забезпечити відсутність маси, він вивів.
Пізніше, у 1970-х, Віра Рубін, американська астроном, виміряла швидкості зірок у Чумацькому Шляху та інших сусідніх галактиках. Подивившись далі на краї цих галактик, вона виявила, що зірки не обертаються повільніше, як очікували вчені. "Це не мало сенсу", - каже Кабрера. "Єдиний спосіб, як ви могли це зрозуміти, це, якщо там було набагато більше маси, ніж те, що ви бачили під зіркою".
З роками набирається все більше свідчень щодо темної матерії. Хоча вчені ще не знають, що це таке, вони мають краще уявлення про те, де він знаходиться і скільки має бути. "Залишилося дуже мало місця для розмахування для різної кількості", - каже Кабрера.
"Ми на сьогодні не бачили нічого, що виглядало б як цікавий сигнал", - говорить він. Але дослідники CDMS II продовжують пошук. Так само роблять і інші групи. ZEPLIN - експеримент, проведений фізиками з Каліфорнійського університету-Лос-Анджелеса та Коллаборації Темної матерії Великобританії, має на меті зловити WIMP у рідких чанах з ксеноном у шахті поблизу Шеффілда, Англія. А на Південному полюсі будується проект Університету Вісконсіна-Медісон під назвою IceCube, який використовуватиме оптичні датчики, закопані глибоко в лід, щоб шукати нейтрино, високоенергетичні частинки, які є підписами знищення WIMP.
Тим часом CDMS II продовжує розвиватися. Її дослідники будують все більші та більші датчики, щоб збільшити шанси на пошук WIMPS. В майбутньому команда сподівається побудувати 1-тонний детектор, який повинен мати можливість виявити багато найімовірніших типів WIMPS, якщо вони існують. "Зараз ми беремо дані з більш ніж удвічі більшою цільовою масою германію, ніж ми мали раніше, тому ми точно зараз вивчаємо нову територію", - каже Огберн. "Але є ще багато чого для висвітлення".
Оригінальне джерело: Стенфордські новини
