Astronomi ne vedo, kaj je temna snov, vendar vedo, da zavzema približno 25% vesolja. Zmogljiv detektor, globoko pod zemljo v rudniški gredi v Minnesoti, bi lahko prišel do dna skrivnosti. Projekt Cryogenic Dark Matter Search II bo poskušal zaznati šibke interaktivne masivne delce (aka WIMPS). Ti teoretični delci običajno ne komunicirajo s snovjo, vendar je mogoče občasno zaznati redke trke.
"Težje in težje se je izogniti dejstvu, da je tam snov, ki sestavlja večino vesolja, ki ga ne moremo videti," pravi Cabrera. "Zvezde in galaksije so kot luči božičnega drevesa na tej ogromni ladji, ki je temna in ne absorbira niti ne oddaja svetlobe."
Projekt Cabrera, imenovan Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II), je zakopan globoko pod zemljo v rudniški gredi v Minnesoti. Predstavnik fizike na univerzi California-Berkeley Bernard Sadoulet je predstavnik tiskovnih naporov. Fermilabov Dan Bauer je vodja projektov, Dan Akerib z Univerze Case Western Reserve pa namestnik vodje projektov. Pri projektu sodeluje skupina 46 znanstvenikov iz 13 institucij.
Ujeti WIMP
Eksperiment je najbolj občutljiv na svetu, katerega cilj je odkriti eksotične delce, imenovane WIMPS (Slabo v interakciji z masivnimi delci), ki so eno izmed najboljših ugibanj znanstvenikov o tem, kaj sestavlja temna snov. Druge možnosti vključujejo nevtrine, teoretizirane delce, ki jih imenujemo aksije ali celo običajne snovi, kot so črne luknje in rjave pritlikave zvezde, ki jih je preprosto preveč videti.
Šteje se, da so WIMPS nevtralni in tehtajo več kot 100-krat večjo maso protona. Trenutno ti osnovni delci obstajajo samo v teoriji in jih nikoli niso opazili. Znanstveniki mislijo, da jih še niso našli, ker jih je težko ujeti. WIMPS ne komunicirajo z večino materije - sramežljivi delci prehajajo skozi naša telesa - toda CDMS II jih želi ujeti v redkem trku z atomi v posebno izdelanih detektorjih.
"Ti delci večinoma prehajajo zemljo, ne da bi se razkropili," pravi Cabrera. "Edini razlog, da imamo celo priložnost videti dogodke, je, ker [je] toliko delcev, da zelo redko eden pride [v detektor] in se razkropi."
Detektorji so skriti pod plastmi zemlje v rudniku Soudan v Minnesoti, da jih zaščitijo pred kozmičnimi žarki in drugimi delci, ki bi lahko trčili v detektorje in jih zmotili temne snovi. V bistvu je polovica bitke za znanstvenike, ki delajo na CDMS II, zaščititi svoje instrumente, kolikor je mogoče, pred vsem, razen WIMPS, in razviti izpopolnjene sisteme, ki bi pokazali razliko med temno snovjo in več svetlobnimi delci.
"Naš detektor je ta hokejska plošča, ki mora živeti na 50 tisoč stopinjah nad absolutno ničlo," pravi Walter Ogburn, podiplomski študent na Stanfordu, ki dela na projektu. "Težko je narediti stvari tako hladne."
V ta namen so instrumenti nameščeni v kanisterju, imenovanem ledena posoda, obložena s šestimi sloji izolacije, od sobne temperature na zunanji strani do najhladnejše na notranji strani. Zaradi tega so detektorji tako hladni, da se niti atomi ne morejo tresti.
Detektorji so narejeni iz kristalov trdnega silicija in trdnega germanija. Atomi silicija ali germanija sedijo v popolni rešetki. Če se WIMPS strmoglavi vanje, bodo vihteli in oddajali drobne pakete toplote, imenovane fononi. Ko se fononi dvignejo na površino detektorjev, ustvarijo spremembo v zelo občutljivi plasti volframa, ki jo lahko zabeležijo raziskovalci. Drugo vezje na drugi strani detektorja meri ione, nabito delce, ki bi se sprostili ob trčenju WIMP in atoma v detektorju.
"Ta dva kanala omogočata razlikovanje med različnimi vrstami interakcij," pravi Ogburn. "Nekatere stvari ionizirajo več, nekatere pa manj, zato lahko na tak način ugotovite razliko."
Za izdelavo detektorjev je potreben tim znanstvenikov v več objektih. Ekipa kupuje kristale pri zunanjem podjetju, raziskovalci v Stanfordovem centru za integrirane sisteme pa na površini detektorjev izdelujejo merilne instrumente. "Za izdelavo mikroprocesorjev uporabljamo iste stvari, ki jih ljudje uporabljajo za izdelavo mikroprocesorjev," je dejal Matt Pyle, še en študent v laboratoriju Cabrera.
Kopne namige
Podmnožica WIMPS, imenovana nevtralino, so najlažji delci, ki jih pričakuje supersimetrija, teorija, ki napoveduje mate za vsak delček, ki smo ga že opazili. Če je CDMS II uspešen pri iskanju nevtralinosov, bi bil to prvi dokaz za superimetrijo. "Nadzimetričnost kaže, da je tam cel del drugih delcev, ki so partnerji naših obstoječih delcev," pravi Cabrera. "Obstaja veliko načinov, kako superimetrija izgleda zelo verjetno. Vendar še ni neposrednih dokazov za noben par ujemajočih se [supersimetričnih] delcev. "
Šibke interakcije WIMPS so, čeprav imajo delci temne snovi maso in upoštevajo zakonitosti gravitacije, ne pasejo v galaksije in zvezde kot običajna snov. Da bi se strpili, se morajo delci strmoglaviti in zlepiti. Toda WIMPS bi najpogosteje leteli naravnost drug ob drugem. Poleg tega, ker so WIMPS nevtralni, ne tvorijo atomov, kar zahteva privlačenje pozitivno nabitih protonov do negativno nabitih elektronov.
"Temna materija prežema vse," pravi Cabrera. "Nikoli se ni zrušilo tako kot atomi."
Ker temna snov nikoli ni tvorila zvezd in drugih znanih nebesnih predmetov, znanstveniki dolgo časa nikoli niso vedeli, da je tam. Najzgodnejši pokazatelji njenega obstoja so se pojavili v tridesetih letih prejšnjega stoletja, ko je Fritz Zwicky, švicarsko-ameriški astronom, opazoval grozde galaksij. Sestavil je mase galaksij in opazil, da ni dovolj mase, da bi izračunala težo, ki mora obstajati, da bi združili grozde. Nekaj drugega mora zagotoviti manjkajočo maso, je sklenil.
Kasneje v 70. letih prejšnjega stoletja je Vera Rubin, ameriška astronomka, merila hitrosti zvezd v Mlečni poti in drugih bližnjih galaksijah. Ko je gledala dlje proti robom teh galaksij, je ugotovila, da se zvezde ne vrtijo počasneje, kot so znanstveniki pričakovali. "To ni imelo nobenega smisla," pravi Cabrera. "Edini način, kako bi ga lahko razumeli, je, če je bilo tam veliko več mase od tistega, kar si videl v zvezdah."
Z leti se je nabiralo vse več dokazov za temno snov. Čeprav znanstveniki še ne vedo, kaj je, imajo boljšo predstavo, kje je in koliko bi moralo biti. "Za malo različnih količin je ostalo malo prostora," pravi Cabrera.
"Do zdaj še nismo videli ničesar, kar bi bilo videti kot zanimiv signal," pravi. Toda raziskovalci CDMS II nadaljujejo iskanje. Torej tudi druge skupine. ZEPLIN, poskus, ki so ga izvedli fiziki na kalifornijski univerzi v Los Angelesu in Združenem kraljestvu Dark Matter Collaboration, je namenjen ujetju WIMP v tekočih posodah s ksenonom v rudniku v bližini Sheffielda v Angliji. Na Južnem polu se gradi projekt Univerze v Wisconsinu in Madisonu, imenovan IceCube, ki bo za iskanje nevtrinov, visokoenergijskih delcev, ki so podpis uničevanja WIMP, uporabil optične senzorje, zakopane globoko v led.
Medtem se CDMS II še naprej razvija. Njeni raziskovalci gradijo večje in večje detektorje, da bi povečali svoje možnosti za iskanje WIMPS. V prihodnosti si ekipa upa sestaviti enotonski detektor, ki bi moral odkriti številne najverjetnejše vrste WIMPS, če obstajajo. "Zdaj jemljemo podatke z več kot dvakrat večjo ciljno maso germanija, kot smo jo imeli prej, zato vsekakor zdaj raziskujemo novo ozemlje," pravi Ogburn. "Vendar je treba veliko več pokriti."
Izvirni vir: Stanford News Release
