Astronoomid ei tea, mis on tume aine, kuid nad teavad, et see võtab umbes 25% universumist. Minnesota miinivõlli sügaval maa-aluses võimas detektor võib-olla pääseb mõistatuse põhja. Cryogenic Dark Matter Search II projekt üritab tuvastada nõrgalt interakteeruvaid massiivseid osakesi (aka WIMPS). Need teoreetilised osakesed ei ole tavaliselt ainega interaktsioonis, kuid aeg-ajalt esinev haruldane kokkupõrge võib olla tuvastatav.
"Raskem ja raskem on vabaneda sellest, et seal on mingi aine, mis moodustab suurema osa maailmast, mida me ei näe," ütleb Cabrera. "Tähed ja galaktikad ise on nagu jõulupuu tuled sellel tohutul laeval, mis on pime ja ei ima ega eralda valgust."
Maetud sügavale maa alla Minnesota miinivõlli, asub Cabrera projekt, mida nimetatakse krüogeensete tumedate ainete otsinguks II (CDMS II). Californias asuva Berkeley ülikooli füüsik Bernard Sadoulet on pingutuste eestkõneleja. Fermilabi Dan Bauer on selle projektijuht ja Dan Akerib Case Western Reserve Ülikoolist on projektijuhi asetäitja. Projekti raames teeb koostööd 13 teadlase 46 teadlase meeskond.
WIMP-i püüdmiseks
Katse on maailma kõige tundlikum eksperiment, mille eesmärk on tuvastada eksootilisi osakesi, mida nimetatakse WIMPS (nõrgalt interakteeruvad massiivsed osakesed), mis on teadlaste üks parimaid arvamisi selle kohta, mis moodustab tumeda aine. Muud võimalused hõlmavad neutriinoid, teoreeritud osakesi, mida nimetatakse aksioonideks, või isegi normaalset ainet, nagu mustad augud ja pruunid kääbustähed, mis on lihtsalt nägemiseks liiga nõrgad.
Arvatakse, et WIMPS on neutraalselt laetud ja kaalub prootoni massist üle 100 korra. Praegu eksisteerivad need elementaarosakesed ainult teoorias ja neid pole kunagi täheldatud. Teadlased arvavad, et nad pole neid veel leidnud, kuna neid on erakordselt keeruline tabada. WIMPS ei suhtle enamiku asjadega - häbelikud osakesed lähevad otse läbi meie keha -, kuid CDMS II eesmärk on tabada neid projekti spetsiaalselt valmistatud detektorites harvaesinevas kokkupõrkes aatomitega.
"Need osakesed läbivad maakera enamasti laiali, ilma et oleks hajumist," ütleb Cabrera. "Ainus põhjus, miks meil on isegi võimalus sündmusi näha, on see, et [osakesi on] nii palju, et väga harva satub üks detektorisse ja hajub laiali."
Detektorid on Minnesota Soudani kaevanduses maapinna kihtide alla peidetud, et kaitsta neid kosmiliste kiirte ja muude osakeste eest, mis võivad detektoritega kokku põrkuda ja mida saab segamini ajada tumeda ainega. Tegelikult on CDMS II-ga töötavate teadlaste jaoks pool võitlust nende instrumentide võimalikult suureks varjamiseks kõigest muust peale WIMPSi ja keerukate süsteemide väljatöötamise, mis selgitaksid erinevust tumeda aine ja enam igapäevaste osakeste vahel.
"Meie detektor on see hokikerekujuline asi, mis peab elama 50 tuhandiku kraadi juures üle absoluutse nulli," ütleb projekti kallal Stanfordi kraadiõppur Walter Ogburn. "Selliseid asju on nii külm teha."
Selleks paigutatakse instrumendid kanistrisse, mida nimetatakse jääkasteks ja mis on vooderdatud kuue isolatsioonikihiga, alates toatemperatuurist väljast kuni külmemani. See hoiab detektorid nii külmas, et isegi aatomid ei saa väriseda.
Detektorid on valmistatud tahke räni ja tahke germaniumi kristallidest. Räni- või germaaniumiaatomid paiknevad endiselt ideaalses võres. Kui WIMPS neisse satub, siis nad värisevad ja eraldavad pisikesi soojuspakke, mida nimetatakse foononiteks. Kui fononid tõusevad detektorite pinnale, tekitavad need muutuse väga tundlikus volframikihis, mille teadlased saavad salvestada. Detektori teisel küljel asuv teine vooluring mõõdab ioone, laetud osakesi, mis vabastatakse detektori WIMP ja aatomi kokkupõrkest.
"Need kaks kanalit lasevad meil eristada erinevaid interaktsioone," ütleb Ogburn. "Mõni asi paneb rohkem ioniseerima ja mõni asi vähem, nii et saate erinevuse sel viisil öelda."
Detektorite ehitamiseks kulub teadlaste meeskond mitmetes rajatistes. Meeskond ostab kristalle väljastpoolt firmat ja Stanfordi integreeritud süsteemide keskuse teadlased valmistavad detektorite pindadele mõõteriistu. "Me kasutame nende toodete valmistamiseks samu asju, mida inimesed kasutavad ka mikroprotsessorite valmistamiseks, kuna need on ka üliväikesed," ütleb Matt Pyle, Cabrera labori teine kraadiõppur.
Vihjete tükid
WIMPS-i alamhulk, mida nimetatakse neutinoosideks, on supersümmeetria abil oodatavad kergeimad osakesed - see on teooria, mis ennustab paaritit kõigile juba täheldatud osakestele. Kui CDMS II õnnestub neutriinode leidmisel, oleks see esimene tõestus supersümmeetria kohta. "Supersümmeetria viitab sellele, et osakeste vahel on olemas terve teine sektor, mis on meie olemasolevate osakeste partneriteks," ütleb Cabrera. „Supersümmeetria tundub väga tõenäoline paljudel viisidel. Kuid sobivate [supersümmeetriliste] osakeste paari kohta pole veel otseseid tõendeid. ”
WIMPS-i nõrk vastasmõju on põhjus, miks kuigi tumeda aine osakestel on mass ja need vastavad gravitatsiooniseadustele, ei klammerdu nad galaktikatesse ja tähtedesse nagu tavaline mateeria. Klompideks peavad osakesed kokku kukkuma ja kokku kleepuma. Kuid WIMPS lendaks enamasti üksteise kõrval. Kuna WIMPS on neutraalne, ei moodusta nad aatomeid, mis nõuavad positiivselt laetud prootonite ligitõmbamist negatiivselt laetud elektronidele.
"Tume aine tungib kõike," ütleb Cabrera. "See lihtsalt ei kukkunud aatomite moodi kunagi kokku."
Kuna tume mateeria ei moodustanud kunagi tähti ja muid tuttavaid taevaobjekte, ei teadnud teadlased pikka aega kunagi seda. Varasem märkus selle olemasolust saabus 1930. aastatel, kui Šveitsi-Ameerika astronoom Fritz Zwicky vaatas galaktikate kobaraid. Ta liitis galaktikate massid ja märkas, et masside moodustamiseks ei ole piisavalt raskust, mis klastrite koos hoidmiseks peab olemas olema. Midagi muud peab tagama puuduva massi, järeldas ta.
Hiljem, 1970. aastatel, mõõtis Ameerika astronoom Vera Rubin tähtede kiirust Linnuteel ja teistes lähedalasuvates galaktikates. Vaadates nende galaktikate servade poole kaugemale, leidis ta, et tähed ei pöörle aeglasemalt, nagu teadlased eeldasid. "Sellel polnud mingit mõtet," sõnab Cabrera. "Ainus viis sellest aru saada on see, kui massi oli seal palju rohkem kui see, mida sa tähevalges nägid."
Aastate jooksul on üha rohkem tõendeid tumeda aine kohta. Ehkki teadlased ei tea veel, mis see on, on neil parem ettekujutus, kus see asub ja kui palju sellest peaks olema. "Erinevate koguste jaoks on ruumi väga vähe," ütleb Cabrera.
"Me pole seni näinud midagi huvitava signaalina näivat," ütleb ta. Kuid CDMS II teadlased jätkavad otsinguid. Nii tehke ka teisi rühmi. California-Los Angelese ülikooli ja Ühendkuningriigi Dark Matter Collaborationi füüsikute juhitud eksperimendi ZEPLIN eesmärk on püüda WIMP-sid ksenooni vedelvaagnades Inglismaal Sheffieldi lähedal asuvas kaevanduses. Lõunapoolusel on ehitamisel Wisconsini Ülikooli Madisoni projekt nimega IceCube, mis kasutab sügavale jäässe maetud optilisi andureid neutrinode, kõrge energiaga osakeste otsimiseks, mis on WIMP hävitustööde allkirjad.
Samal ajal jätkub CDMS II areng. Selle teadlased ehitavad üha suuremaid andureid, et suurendada nende võimalusi WIMPS-i leidmiseks. Tulevikus loodab meeskond ehitada 1-tonnise detektori, mis peaks suutma avastada paljusid kõige tõenäolisemaid WIMPS-i tüüpe, kui need on olemas. "Me võtame praegu andmeid enam kui kaks korda suurema germaaniumsihtmassiga kui varem, nii et uurime kindlasti kohe uut territooriumi," ütleb Ogburn. "Kuid katteks on veel palju muud."
Algne allikas: Stanfordi uudisteade
