Ciemna materia w zasięgu. Trwa polowanie na niewidzialne cząstki

Na czym polega wyzwanie związane z wykryciem ciemnej materii?

Choć standardowy model kosmologiczny wskazuje, że ciemna materia stanowi około 27 proc. Wszechświata, a ciemna energia kolejne 68 proc., to wciąż pozostają one jedynie teoretycznymi konceptami. Naukowcy potrafią zmierzyć ich grawitacyjny wpływ na ruch galaktyk i ekspansję kosmosu. Wciąż jednak nie wiedzą, z czego są zbudowane. Wykrycie ciemnej materii jest „świętym Graalem” naukowców zajmujących się badaniem Wszechświata

Superczułe detektory – łowcy kosmicznej ciemności

Główną przeszkodą jest ekstremalnie słabe oddziaływanie hipotetycznych cząstek ciemnej materii ze znaną nam materią.

Wyzwanie polega na tym, że ciemna materia oddziałuje tak słabo, że potrzebujemy detektorów zdolnych do wykrycia zdarzeń, które mogą nastąpić raz w roku, a nawet raz na dekadę

– opowiada dr Rupak Mahapatra, fizyk cząstek z Texas A&M University, którego słowa przytacza komunikat uczelni.

Rozwiązaniem tego problemu mają być projekty takie jak TESSERACT oraz długoletni eksperyment SuperCDMS, w który zaangażowany jest zespół Mahapatry – czytamy w Science Daily.

To zaawansowane instrumenty półprzewodnikowe, wyposażone w kriogeniczne sensory kwantowe. Muszą one być schładzane do temperatur bliskich zera absolutnego (–273.15°C). Jest to konieczne, by zminimalizować szum termiczny i wychwycić niezwykle subtelny sygnał. Mógłby nim być na przykład drobny impuls cieplny lub wybicie pojedynczego elektronu w krysztale, spowodowany przez zderzenie z cząstką ciemnej materii.

Przełomowa technika i główny kandydat. WIMP-y pod lupą

Te poszukiwania trwają już od lat. Jednym z kluczowych momentów był rok 2014, kiedy to zespół dr. Mahapatry opublikował w Physical Review Letters przełomową pracę. Opisano w niej metodę wzmocnienia sygnału za pomocą przyłożonego napięcia w detektorach SuperCDMS. Ta innowacja znacząco poszerzyła zakres poszukiwań, ponieważ umożliwiła polowanie na lżejsze „kandydatki” na cząstki ciemnej materii, tzw. WIMP-y (ang. Weakly Interacting Massive Particles – Słabo Oddziałujące Masywne Cząstki).

WIMP-y to właśnie wiodący teoretyczny kandydat, którego istnienie przewidują rozszerzenia Modelu Standardowego fizyki cząstek. Miałaby to być stabilna, masywna cząstka, oddziałująca niemal wyłącznie za pomocą grawitacji i słabych oddziaływań jądrowych. Właśnie te właściwości stanowiłyby wytłumaczenie jej wszechobecności i nieuchwytności.

Perspektywy nowego rozdziału w fizyce

Sukces miałby doniosłe konsekwencje wykraczające daleko poza kosmologię. To byłby wręcz nowy rozdział w fizyce. Tak przynajmniej twierdzi dr Mahapatra. Oznaczałoby to nie tylko potwierdzenie składnika stanowiącego większość materii we Wszechświecie, ale odkrycie zupełnie nowej formy materii, niespełniającej zasad znanych z Modelu Standardowego.

Tak nauka osacza ciemną materię

Naukowcy podkreślają, że kluczem do wykrycia ciemnej materii jest synergia wielu metod. Oprócz detekcji bezpośredniej (jak w TESSERACT i SuperCDMS), prowadzone są równolegle:

• Detekcja pośrednia. Są to obserwacje kosmiczne, które szukają produktów anihilacji lub rozpadu cząstek ciemnej materii w galaktykach.
• Produkcja w akceleratorach. Tu wymienić trzeba eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). Takie, które próbują wytworzyć ciemną materię w zderzeniach cząstek o wysokiej energii.

Dr Mahapatra podkreśla, że żaden pojedynczy eksperyment nie da wszystkich odpowiedzi. I że potrzeba wielu metod, by złożyć obraz w jedną całość.

Kosmiczne polowanie zatem trwa trwa. A każdy kolejny, bardziej czuły detektor ma przybliżyć ludzkość do chwili wykrycia ciemnej materii – największej tajemnicy Wszechświata.

Przeczytaj także: Ukryte olbrzymy kosmosu. Odkryto planetę i „nieudaną gwiazdę