Astronomi nezina, kas ir tumšā matērija, bet viņi zina, ka tā aizņem apmēram 25% no Visuma. Jaudīgs detektors dziļi pazemē Minesotas mīnas šahtā varētu nokļūt noslēpuma apakšā. Kriogēnā Dark Matter Search II projekts mēģinās atklāt vāji mijiedarbojošās masīvās daļiņas (aka WIMPS). Šīs teorētiskās daļiņas parasti nav mijiedarbojas ar matēriju, taču retos gadījumos notiekošā sadursme varētu būt nosakāma.
“Ir grūtāk un grūtāk atbrīvoties no fakta, ka tur ir viela, kas veido lielāko daļu no visa, ko mēs neredzam,” saka Kabrera. "Zvaigznes un galaktikas pašas ir kā Ziemassvētku eglīšu ugunis uz šī milzīgā kuģa, kas ir tumšs un ne absorbē, ne izstaro gaismu."
Apbedīts dziļi pazemē mīnu šahtā Minesotā, atrodas Kabreras projekts, ko sauc par kriogēno tumšo vielu meklēšanu II (CDMS II). Kalifornijas Universitātes Bērklija fiziķis Bernards Sadoulets kalpo par šo pūļu pārstāvi. Fermilab's Dan Bauer ir tā projektu vadītājs, bet Dan Akerib no Case Western Reserve University ir projekta vadītāja vietnieks. Projektā sadarbojas 46 zinātnieku komanda 13 iestādēs.
Lai noķertu WIMP
Eksperiments ir visjutīgākais pasaulē, un tā mērķis ir noteikt eksotiskas daļiņas ar nosaukumu WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), kas ir viens no zinātnieku labākajiem minējumiem par to, kas veido tumšo vielu. Citas iespējas ietver neitrīnus, teorētiskas daļiņas, kuras sauc par aksijām, vai pat normālu vielu, piemēram, melnos caurumus un brūnas punduru zvaigznes, kuras ir pārāk vāji redzamas.
Tiek uzskatīts, ka WIMPS ir neitrāla maksa un sver vairāk nekā 100 reizes lielāku par protona masu. Pašlaik šīs elementārās daļiņas pastāv tikai teorētiski un nekad nav novērotas. Zinātnieki domā, ka viņi tos vēl nav atraduši, jo tos ir satraucoši grūti notvert. WIMPS nav mijiedarbojas ar lielāko daļu jautājumu - kautrīgās daļiņas iziet cauri mūsu ķermenim, bet CDMS II mērķis ir notvert tos retā sadursmē ar atomiem projekta speciāli izgatavotajos detektoros.
“Šīs daļiņas lielākoties iziet cauri Zemei bez izkliedes,” saka Kabrera. "Vienīgais iemesls, kāpēc mums pat ir iespēja redzēt notikumus, ir tas, ka [ir] tik daudz daļiņu, ka ļoti reti kāds nonāks [detektorā] un izklīdīs."
Minesotas Soudan raktuvēs detektori ir paslēpti zem zemes slāņiem, lai pasargātu tos no kosmiskajiem stariem un citām daļiņām, kas varētu sadurties ar detektoriem un tikt sajaukti ar tumšo vielu. Faktiski puse no cīņas, ko zinātnieki strādā pie CDMS II, ir pēc iespējas vairāk pasargāt savus instrumentus no visa, izņemot WIMPS, un izstrādāt sarežģītas sistēmas, lai parādītu atšķirību starp tumšo vielu un vairāk ikdienišķām daļiņām.
"Mūsu detektors ir šī hokeja ripa formas lieta, kurai jādzīvo 50 tūkstošdaļas grādus virs absolūtās nulles," saka Valters Ogburns, Stenfordas absolvents, kurš strādā pie projekta. “Ir grūti padarīt lietas tik aukstas.”
Šajā nolūkā instrumenti tiek ligzdoti kārbā, ko sauc par saldējuma kasti un izklāta ar sešiem izolācijas slāņiem, sākot no istabas temperatūras ārpuses līdz aukstākajai iekšpusē. Tas detektorus uztur tik aukstus, ka pat atomi nevar drebēt.
Detektori ir izgatavoti no cietā silīcija un cietā germānija kristāliem. Silīcija vai germānija atomi joprojām atrodas nevainojamā režģī. Ja WIMPS iekļūs tajās, viņi ķīlēsies un izdalīs niecīgas siltuma paciņas, ko sauc par fononiem. Kad fononi paceļas uz detektoru virsmas, tie rada izmaiņas ļoti jutīgā volframa slānī, ko pētnieki var reģistrēt. Otra ķēde detektora otrā pusē mēra jonus, lādētas daļiņas, kuras atbrīvotos no WIMP un atoma sadursmes detektorā.
"Šie divi kanāli ļaus mums atšķirt dažādu veidu mijiedarbību," saka Ogburn. "Dažas lietas rada lielāku jonizāciju un citas - mazāk, tāpēc jūs varat pateikt atšķirību šādā veidā."
Detektoru izveidošanai vajadzīgs zinātnieku pulks vairākās telpās. Komanda iegādājas kristālus no ārēja uzņēmuma, un Stenfordas Integrēto sistēmu centra pētnieki izgatavo mērinstrumentus uz detektoru virsmām. "Mēs izmantojam tās pašas lietas, lai izgatavotu tās, kuras cilvēki izmanto mikroprocesoru izgatavošanai, jo tie ir arī ļoti niecīgi," saka Metjū Pilija, cits Kabreras laboratorijas maģistrants.
Klūgu saknes
WIMPS apakškopa, ko sauc par neutralinos, ir vieglākās daļiņas, kuras sagaida supersimetrija - teorija, kas paredz mate katrai daļai, kuru mēs jau esam novērojuši. Ja CDMS II izdodas atrast neitronus, tas būtu pirmais supersimetrijas pierādījums. "Supersimetrija liek domāt, ka daļiņām, kas ir mūsu esošo daļiņu partneri, ir pavisam cits sektors," saka Kabrera. “Ir daudz veidu, kā supersimetrija izskatās ļoti iespējama. Bet vēl nav tiešu pierādījumu par atbilstošu [supersimetrisku] daļiņu pāri. ”
Vāja WIMPS mijiedarbība ir iemesls, kāpēc, kaut arī tumšās matērijas daļiņām ir masa un tās ievēro gravitācijas likumus, tās neietilpst galaktikās un zvaigznēs kā normāla matērija. Lai saliptu, daļiņām jāsabrūk un jāturas kopā. Bet WIMPS visbiežāk lidos viens otram blakus. Turklāt, tā kā WIMPS ir neitrāli, tie neveido atomus, kuriem nepieciešama pozitīvi lādētu protonu piesaiste negatīvi lādētiem elektroniem.
“Tumšā matērija caurstrāvo visu,” saka Kabrera. "Tas vienkārši nekad nav sabrucis tā, kā to darīja atomi."
Tā kā tumšā matērija nekad neveidoja zvaigznes un citus pazīstamus debesu objektus, zinātnieki ilgu laiku nekad nezināja, ka tas tur atrodas. Agrākās pazīmes par tā esamību tika saņemtas pagājušā gadsimta 30. gados, kad Šveices-Amerikas astronoms Fritzs Zvickijs novēroja galaktiku kopas. Viņš saskaitīja galaktiku masas un pamanīja, ka nav pietiekami daudz masas, lai ņemtu vērā smagumu, kādam jābūt, lai kopas turētos kopā. Kaut kam citam jāsniedz trūkstošā masa, viņš secināja.
Vēlāk, 1970. gados, Vera Rubina, amerikāņu astronome, izmērīja zvaigžņu ātrumu Piena Ceļā un citās tuvējās galaktikās. Skatoties tālāk uz šo galaktiku malām, viņa atklāja, ka zvaigznes negriežas lēnāk, kā zinātnieki gaidīja. “Tam nebija nekādas jēgas,” saka Kabrera. "Vienīgais veids, kā jūs to varētu saprast, ir tas, ka tur bija daudz vairāk masas nekā tas, ko jūs redzējāt zvaigznes gaismā."
Gadu gaitā ir uzkrājies arvien vairāk pierādījumu par tumšo vielu. Lai gan zinātnieki vēl nezina, kas tas ir, viņiem ir labāks priekšstats par to, kur tas atrodas un cik tam vajadzētu būt. “Ir atlicis ļoti maz vietas, lai iegūtu dažādus daudzumus,” saka Kabrera.
“Mēs līdz šim neesam redzējuši neko tādu, kas izskatās pēc interesanta signāla,” viņš saka. Bet CDMS II pētnieki turpina meklēšanu. Tāpēc dariet arī citas grupas. ZEPLIN, eksperiments, ko vada Kalifornijas Universitātes un Losandželosas Universitātes fiziskie darbinieki un Apvienotās Karalistes Dark Matter Collaboration, mērķis ir WIMP uztveršana ksenona šķidrajās tvertnēs raktuvēs netālu no Šefīldas, Anglijā. Dienvidpolā tiek izstrādāts Viskonsinas Universitātes un Medisonas projekts ar nosaukumu IceCube, kas izmantos optiskos sensorus, kas aprakti dziļi ledū, lai meklētu neitrīnus, augstas enerģijas daļiņas, kas ir WIMP iznīcināšanas paraksti.
Tikmēr CDMS II turpina attīstīties. Tās pētnieki būvē lielākus detektorus, lai palielinātu viņu iespējas atrast WIMPS. Nākotnē komanda cer uzbūvēt 1 tonnu detektoru, kam būtu jāspēj atklāt daudzus no visticamākajiem WIMPS veidiem, ja tādi pastāv. "Mēs tagad uzņemam datus ar vairāk nekā divreiz lielāku germānija mērķa masu nekā mums bija iepriekš, tāpēc šobrīd mēs noteikti pētām jaunu teritoriju," saka Ogburn. "Bet ir vēl daudz ko segt."
Oriģinālais avots: Stenfordas ziņu izlaidums
