Астрономите не знаят какво е тъмна материя, но те знаят, че тя заема приблизително 25% от Вселената. Мощен детектор, дълбоко под земята в минен вал в Минесота, може да успее да стигне до дъното на мистерията. Проектът Cryogenic Dark Matter Search II ще се опита да открие слабо взаимодействащи масивни частици (известен още като WIMPS). Тези теоретични частици обикновено не взаимодействат с материята, но може да се открие случаен рядък сблъсък.
„Все по-трудно е да се измъкнем от факта, че там има вещество, което съставлява по-голямата част от Вселената, която не можем да видим“, казва Кабрера. „Самите звезди и галактики са като светлините на коледното дърво на този огромен кораб, който е тъмен и нито поглъща, нито излъчва светлина.“
Погребан дълбоко под земята в минен вал в Минесота е проектът на Cabrera, наречен Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). Физикът на Калифорнийския университет-Беркли Бернар Садулет служи като говорител на усилията. Дан Бауер на Фермилаб е негов ръководител на проекти, а Дан Акериб от университета Case Western Reserve е заместник мениджър на проекти. Екип от 46 учени от 13 институции сътрудничи на проекта.
За да хванете WIMP
Експериментът е най-чувствителният в света, целящ да открие екзотични частици, наречени WIMPS (Слабо взаимодействащи масивни частици), които са едно от най-добрите предположения на учените за това, което представлява тъмната материя. Други опции включват неутрино, теоретизирани частици, наречени аксиони или дори нормална материя като черни дупки и кафяви звезди-джуджета, които просто са твърде слаби, за да се видят.
Счита се, че WIMPS са с неутрален заряд и тежат повече от 100 пъти масата на протона. В момента тези елементарни частици съществуват само на теория и никога не са били наблюдавани. Учените смятат, че все още не са ги намерили, защото трудно ги улавят. WIMPS не взаимодействат с повечето материи - срамежливите частици преминават точно през телата ни, но CDMS II има за цел да ги улови в рядък сблъсък с атомите в специално направените детектори на проекта.
„Тези частици предимно минават през Земята, без да се разпръснат“, казва Кабрера. "Единствената причина дори да имаме шанс да видим събития е, защото [има] толкова много частици, че много рядко една ще влезе [в детектора] и ще се разпръсне."
Детекторите са скрити под слоеве земя в мината на Судан в Минесота, за да ги предпазят от космически лъчи и други частици, които могат да се сблъскат с детекторите и да бъдат сбъркани с тъмната материя. Всъщност половината битка за учените, работещи върху CDMS II, са да защитят инструментите си колкото е възможно повече от всичко освен WIMPS и да разработят сложни системи, които да покажат разликата между тъмната материя и повече светските частици.
„Нашият детектор е това хокейно-шайбово нещо, което трябва да живее на 50 хилядни градуса над абсолютната нула“, казва Уолтър Огбърн, аспирант в Станфорд, който работи по проекта. "Трудно е да направим нещата толкова студени."
За тази цел инструментите са сгушени в кутия, наречена ледена кутия, облицована с шест слоя изолация, от стайна температура отвън до най-студена отвътре. Това държи детекторите толкова студени, че дори атомите не могат да треперят.
Детекторите са изработени от кристали от твърд силиций и твърд германий. Силиконовите или германиевите атоми седят неподвижно в решетка. Ако WIMPS се блъсне в тях, те ще се клатушкат и ще издават малки пакетчета топлина, наречени фонони. Когато фононите се издигнат на повърхността на детекторите, те създават промяна в много чувствителен слой волфрам, който изследователите могат да запишат. Втора верига от другата страна на детектора измерва йони, заредени частици, които ще бъдат освободени от сблъсък на WIMP и атом в детектора.
„Тези два канала ни позволяват да правим разлика между различни видове взаимодействия“, казва Огбърн. "Някои неща правят повече йонизация, а някои правят по-малко, така че можете да кажете разликата по този начин."
За изграждането на детекторите е необходим отряд учени в множество съоръжения. Екипът купува кристалите от външна компания, а изследователите от Центъра за интегрирани системи на Станфорд правят измервателни уреди на повърхностите на детекторите. „Ние използваме същите неща, за да направим тези, които хората използват за направата на микропроцесори, защото те също са супер мънички“, казва Мат Пийл, друг абитуриент в лабораторията на Кабрера.
Струпвания на улики
Подмножество от WIMPS, наречено неутралино, са най-леките частици, очаквани от свръхсиметрия, теория, която предсказва половинка за всяка частица, която вече наблюдавахме. Ако CDMS II успее да намери неутралино, това ще бъде първото доказателство за суперисиметрия. „Суперсиметрията предполага, че има цял друг сектор от частици, които са партньори на съществуващите ни частици“, казва Кабрера. „Има много начини, по които суперсиметрията изглежда много вероятна. Но все още няма директни доказателства за съвпадение на [свръхсиметрична] двойка частици. "
Слабите взаимодействия на WIMPS са защо, въпреки че частиците на тъмната материя имат маса и се подчиняват на законите на гравитацията, те не се скупчават в галактики и звезди като нормална материя. За да се слепнат, частиците трябва да се сринат и да се слепят. Но WIMPS най-често биха летели право един до друг. Плюс това, тъй като WIMPS са неутрални, те не образуват атоми, които изискват привличане на положително заредени протони към отрицателно заредени електрони.
„Тъмната материя прониква във всичко“, казва Кабрера. "Просто никога не се срива по начина, по който го правят атомите."
Тъй като тъмната материя никога не е образувала звезди и други познати небесни обекти, дълго време учените никога не са знаели, че е там. Най-ранните индикации за съществуването му се появяват през 30-те години на миналия век, когато Фриц Цвики, швейцарско-американски астроном, наблюдава струпвания на галактики. Той добави масите от галактики и забеляза, че няма достатъчно маса, за да отчете гравитацията, която трябва да съществува, за да държи струпванията заедно. Нещо друго трябва да осигури липсващата маса, заключи той.
По-късно през 70-те Вера Рубин, американски астроном, измерва скоростите на звездите в Млечния път и други близки галактики. Докато гледаше по-далеч към краищата на тези галактики, тя откри, че звездите не се въртят по-бавно, както учените очакваха. „Това нямаше никакъв смисъл“, казва Кабрера. "Единственият начин да го разбереш е, ако имаше много по-голяма маса от това, което видяхте при звездната светлина."
С течение на годините се натрупват все повече доказателства за тъмната материя. Въпреки че учените все още не знаят какво е, те имат по-добра представа къде се намира и колко трябва да има. „Остава много малко място за мърдане за различни количества“, казва Кабрера.
„Не сме виждали нищо, което да изглежда като интересен сигнал към днешна дата“, казва той. Но изследователите на CDMS II продължават търсенето. Така също направете и други групи. ZEPLIN, експеримент, провеждан от физици от Калифорнийския университет в Лос Анджелис и Съединението на Обединеното кралство Dark Matter Collaboration, има за цел да хване WIMP в течни кани с ксенон в мина близо до Шефилд, Англия. А на Южния полюс се изгражда проект на Университета на Уисконсин-Медисън, наречен IceCube, който ще използва оптични сензори, заровени дълбоко в леда, за да търси неутрино, високоенергийни частици, които са подписи на унищоженията на WIMP.
Междувременно CDMS II продължава да се развива. Неговите изследователи изграждат все по-големи и по-големи детектори, за да увеличат шансовете си да намерят WIMPS. В бъдеще екипът се надява да създаде 1-тонен детектор, който трябва да може да открие много от най-вероятните видове WIMPS, ако съществуват. „В момента взимаме данни с повече от два пъти повече целева маса германий, отколкото преди, така че определено проучваме нова територия в момента“, казва Огбърн. "Но има много повече за покриване."
Оригинален източник: Новини на Stanford
