Astronomit eivät tiedä mitä tumma aine on, mutta he tietävät, että se vie noin 25% maailmankaikkeudesta. Voimakas ilmaisin syvällä maanalaisessa miina-akselissa Minnesotassa saattaa päästä salaperäisyyteen. Cryogenic Dark Matter Search II -hanke yrittää havaita heikosti vuorovaikutuksessa olevat massiiviset partikkelit (alias WIMPS). Nämä teoreettiset hiukkaset eivät normaalisti ole vuorovaikutuksessa aineen kanssa, mutta satunnainen törmäys saattaa olla havaittavissa.
"On vaikeampaa päästä eroon tosiasiasta, että siellä on ainetta, joka muodostaa suurimman osan maailmankaikkeudesta, jota emme voi nähdä", Cabrera sanoo. "Tähdet ja galaksit itsessään ovat kuin joulukuusenvaloja tällä valtavalla aluksella, joka on pimeä eikä absorboi eikä säteile valoa."
Haudattu syvälle maanalaiseen miina-akseliin Minnesotassa, on Cabreran projekti, nimeltään Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). Kalifornian yliopiston Berkeleyn fyysikko Bernard Sadoulet toimii tämän edustajana. Fermilabin Dan Bauer on projektipäällikkö ja Dan Akerib Case Western Reserve Universitystä on apulaisprojektipäällikkö. Hankkeessa työskentelee 46 tutkijan ryhmä 13 instituutiosta.
WIMP-kiinniotto
Koe on maailman herkein, ja sen tarkoituksena on havaita eksoottisia hiukkasia, nimeltään WIMPS (Heikkojen vuorovaikutusten aiheuttavat massiiviset partikkelit), jotka ovat tutkijoiden parhaita arvauksia siitä, mikä muodostaa tumman aineen. Muita vaihtoehtoja ovat neutriinot, teorioidut hiukkaset, joita kutsutaan aksioiksi tai jopa normaali aine, kuten mustat aukot ja ruskeat kääpiötähdet, jotka ovat aivan liian heikot nähdäkseen.
WIMPS: n uskotaan olevan neutraalia varausta ja painavan yli 100 kertaa protonin massa. Tällä hetkellä nämä alkuainehiukkaset ovat olemassa vain teoriassa, eikä niitä ole koskaan havaittu. Tutkijoiden mielestä he eivät ole vielä löytäneet heitä, koska heitä on kiusallista vaikea vangita. WIMPS ei ole vuorovaikutuksessa useimpien aineiden kanssa - arka hiukkaset kulkevat suoraan kehomme läpi - mutta CDMS II pyrkii tarttumaan niihin harvinaisessa törmäyksessä projektin erikoisilmaisimissa olevien atomien kanssa.
"Nämä hiukkaset kulkevat pääosin maan läpi hajottamatta", Cabrera sanoo. "Ainoa syy, jolla meillä on edes mahdollisuus nähdä tapahtumia, on siitä, että [hiukkasia on niin paljon, että harvoin yksi tulee [ilmaisimeen] ja hajoaa."
Ilmaisimet on piilotettu Minnesotan Soudan-kaivoksen maakerrosten alle suojaamaan niitä kosmisilta säteiltä ja muilta hiukkasilta, jotka saattavat törmätä ilmaisimiin ja sekoittaa pimeään aineeseen. Itse asiassa puoli CDMS II: n parissa työskentelevien tutkijoiden taistelua on suojata instrumentit mahdollisimman paljon kaikesta paitsi WIMPS: stä ja kehittää yksityiskohtaisia järjestelmiä erojen selvittämiseksi tumman aineen ja maallisempien hiukkasten välillä.
"Ilmaisin on tämä jääkiekko-kiekon muotoinen asia, jonka täytyy elää 50 tuhannesosaa astetta absoluuttisen nollan yläpuolella", sanoo projektissa työskentelevä Stanfordin jatko-opiskelija Walter Ogburn. "On vaikea tehdä asioista niin kylmiä."
Tätä tarkoitusta varten instrumentit ovat kätkeytyneinä kanisteriin, jota kutsutaan jäälaatikoksi ja joka on vuorattu kuuden eristyskerroksen kanssa huoneenlämpötilasta ulkopuolelta sisälle kylmein. Tämä pitää ilmaisimet niin kylminä, että edes atomit eivät voi täriseä.
Ilmaisimet on valmistettu kiinteän piin ja kiinteän germaniumikiteistä. Pii- tai germaniumatomit istuvat edelleen täydellisessä hilassa. Jos WIMPS törmää heihin, he heiluttavat ja lähettävät pieniä paketteja lämpöä, nimeltään fononeja. Kun fononit nousevat ilmaisimien pintaan, ne luovat muutoksen erittäin herkässä volframikerroksessa, jonka tutkijat voivat tallentaa. Toinen piiri detektorin toisella puolella mittaa ioneja, varautuneita hiukkasia, jotka vapautuisivat WIMP: n ja ilmaisimen törmäyksestä.
"Näiden kahden kanavan avulla voimme erotella erilaisia vuorovaikutuksia", sanoo Ogburn. "Jotkut asiat tekevät enemmän ionisaatiota ja jotkut tekevät vähemmän, joten voit kertoa eron tällä tavalla."
Ilmaisinten rakentaminen vie joukon tutkijoita useissa tiloissa. Ryhmä ostaa kiteet ulkopuoliselta yritykseltä, ja Stanfordin integroitujen järjestelmien keskuksen tutkijat valmistavat mittauslaitteita ilmaisimien pinnoille. "Käytämme samoja asioita tehdäksemme niistä, joita ihmiset käyttävät mikroprosessorien valmistukseen, koska ne ovat myös erittäin pieniä", sanoo toinen Cabreran laboratorion jatko-opiskelija Matt Pyle.
Johtolankoja
WIMPS: n osajoukko, jota kutsutaan neutraaliksi, ovat kevyimpiä hiukkasia, joita supersymmetria odottaa. Tämä on teoria, joka ennustaa parikappaleen jokaiselle havaitsemallemme hiukkaselle. Jos CDMS II onnistuu löytämään neutinoseja, tämä olisi ensimmäinen todiste supersymmetrialle. "Supersymmetria viittaa siihen, että hiukkasilla, jotka ovat nykyisten hiukkasiemme kumppaneita, on olemassa kokonaan toinen sektori", Cabrera sanoo. ”Supersymmetria näyttää erittäin todennäköiseltä monella tapaa. Mutta vastaavista [supersymmetrisistä] hiukkasparista ei ole vielä suoraa näyttöä. "
WIMPS: n heikko vuorovaikutus on syy siihen, että vaikka tumman aineen hiukkasilla on massa ja ne noudattavat painovoiman lakeja, ne eivät tartu galakseihin ja tähtiin kuten normaali aine. Rypistyäkseen hiukkasten on kaatuttava ja tartuttava yhteen. Mutta WIMPS lentää useimmiten peräkkäin. Lisäksi, koska WIMPS ovat neutraaleja, ne eivät muodosta atomeja, jotka edellyttävät positiivisesti varautuneiden protonien vetämistä negatiivisesti varautuneisiin elektroneihin.
"Tumma aine tunkeutuu kaikkeen", Cabrera sanoo. "Se ei vain koskaan romahtanut atomien tapaan."
Koska tumma aine ei koskaan muodostanut tähtiä ja muita tuttuja taivaallisia esineitä, tutkijat eivät pitkään aikaan tienneet, että se oli siellä. Varhaisin ilmoitus sen olemassaolosta saatiin 1930-luvulla, kun sveitsiläinen-amerikkalainen tähtitieteilijä Fritz Zwicky havaitsi galakseja. Hän lisäsi galaksien massat ja huomasi, että massaa ei ollut riittävästi ottamaan huomioon painovoima, jonka on oltava olemassa klusterien pitämiseksi yhdessä. Jotain muuta täytyy tarjota puuttuva massa, hän päätteli.
Myöhemmin 1970-luvulla amerikkalainen tähtitieteilijä Vera Rubin mittasi tähtien nopeuksia Linnunradan ja muiden lähellä olevien galaksien alueella. Kun hän katsoi kauemmas kohti galaksien reunoja, hän huomasi, että tähdet eivät pyöri hitaammin kuin tutkijat odottivat. "Sillä ei ollut mitään järkeä", Cabrera sanoo. "Ainoa tapa ymmärtää se on, jos siellä olisi paljon enemmän massaa kuin mitä starlightissa näit."
Vuosien mittaan on yhä enemmän todisteita tummasta aineesta. Vaikka tutkijat eivät vielä tiedä mitä se on, heillä on parempi käsitys siitä, missä se on ja kuinka paljon sen pitäisi olla. "Eri määriä varten on jäljellä hyvin vähän heilutus tilaa", Cabrera sanoo.
"Emme ole tähän mennessä nähneet mitään, joka näyttää mielenkiintoiselta signaalilta", hän sanoo. Mutta CDMS II: n tutkijat jatkavat etsintää. Joten myös muut ryhmät. Kalifornian-Los Angelesin yliopiston ja Yhdistyneen kuningaskunnan Dark Matter Collaboration -fyysikoiden suorittaman ZEPLIN-kokeilun tarkoituksena on saada WIMP: t ksenonin nestemäisissä säiliöissä kaivoksessa lähellä Sheffieldiä, Englantia. Ja etelänavalla on rakenteilla Wisconsin-Madison-yliopiston IceCube-niminen projekti, joka käyttää syvälle jäähän haudattuja optisia antureita etsimään neutriinoja, korkeaenergisia hiukkasia, jotka ovat WIMP-tuhojen allekirjoituksia.
Samaan aikaan CDMS II: n kehitys jatkuu. Sen tutkijat rakentavat suurempia ja suurempia ilmaisimia lisätäkseen mahdollisuuksiaan löytää WIMPS. Jatkossa ryhmä toivoo rakentavansa yhden tonnin ilmaisimen, jonka pitäisi pystyä löytämään monia todennäköisimpiä WIMPS-tyyppejä, jos niitä on. "Otamme tietoja nyt yli kaksinkertaisesti germaniumin tavoitemassalla kuin meillä oli aiemmin, joten tutkimme ehdottomasti uutta aluetta juuri nyt", Ogburn sanoo. "Mutta siellä on paljon muuta kattavaa."
Alkuperäinen lähde: Stanford-lehdistötiedote
