Astronomové nevědí, co je temná hmota, ale vědí, že zabírá přibližně 25% vesmíru. Silný detektor, hluboko pod zemí v minolovce v Minnesotě, by se mohl dostat až na dno tajemství. Projekt Cryogenic Dark Matter Search II se bude pokoušet detekovat slabé interakce masivních částic (aka WIMPS). Tyto teoretické částice za normálních okolností interagují s hmotou, ale příležitostná vzácná kolize může být detekovatelná.
"Je těžší a těžší se dostat pryč od skutečnosti, že tam je látka, která tvoří většinu vesmíru, kterou nevidíme," říká Cabrera. "Hvězdy a galaxie samotné jsou jako světla vánočních stromků na této obrovské lodi, která je temná a ani neabsorbuje ani nevyzařuje světlo."
Pohřben hluboko v podzemí v Mineshotě v Minnesotě leží Cabrerův projekt s názvem Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). Kalifornský University-Berkeley fyzik Bernard Sadoulet slouží jako mluvčí tohoto úsilí. Jejím projektovým manažerem je Fermilab's Dan Bauer a zástupcem projektového manažera je Dan Akerib z Case Western Reserve University. Na projektu spolupracuje tým 46 vědců ve 13 institucích.
Zachytit WIMP
Experiment je nejcitlivější na světě, jehož cílem je detekovat exotické částice zvané WIMPS (Weakly Interactioning Massive Particles), které jsou jedním z nejlepších odhadů vědců o tom, co tvoří temnou hmotu. Mezi další možnosti patří neutrina, teoretické částice nazývané axiony nebo dokonce normální hmota, jako jsou černé díry a hnědé trpasličí hvězdy, které jsou příliš slabé na to, aby byly vidět.
WIMPS jsou považovány za neutrální na starosti a váží více než 100krát větší množství protonu. V současné době tyto elementární částice existují pouze teoreticky a nikdy nebyly pozorovány. Vědci si myslí, že je ještě nenašli, protože je neskutečně těžké je zachytit. WIMPS nekomunikují s většinou látek - plaché částice procházejí přímo našimi těly - ale cílem CDMS II je zachytit je ve vzácné srážce s atomy speciálních detektorů projektu.
"Tyto částice většinou procházejí Zemí bez rozptylu," říká Cabrera. "Jediný důvod, proč máme dokonce šanci vidět události, je proto, že [je] tolik částic, že jen velmi zřídka jedna přijde [do detektoru] a rozptýlí se."
Detektory jsou skryty pod vrstvami Země v minnesotském soudanském dole, aby je chránily před kosmickými paprsky a dalšími částicemi, které by se mohly s detektory střetnout a mohly by být zaměněny za temnou hmotu. Polovina bitvy o vědce, kteří pracují na CDMS II, má ve skutečnosti co nejvíce chránit své nástroje před vším než WIMPS a vyvinout propracované systémy, které budou rozlišovat mezi temnou hmotou a více světskými částicemi.
"Náš detektor je věc ve tvaru hokejového puku, která musí žít při 50 tisícinách stupně nad absolutní nulou," říká Walter Ogburn, postgraduální student Stanford, který na projektu pracuje. "Je těžké dělat věci tak chladné."
Za tímto účelem jsou nástroje zasazeny v nádobě zvané ledová skříň, lemovaná šesti vrstvami izolace, od pokojové teploty na vnější straně po nejchladnější zevnitř. Díky tomu jsou detektory tak chladné, že se ani atomy nemohou třást.
Detektory jsou vyrobeny z krystalů pevného křemíku a pevného germania. Atomy křemíku nebo germania sedí stále v dokonalé mřížce. Pokud do nich WIMPS spadne, budou se kroutit a vydávat malé balíčky tepla nazývané fonony. Když fonony vystoupí na povrch detektorů, vytvoří změnu ve velmi citlivé vrstvě wolframu, kterou mohou vědci zaznamenat. Druhý obvod na druhé straně detektoru měří ionty, nabité částice, které by se uvolnily při kolizi WIMP a atomu v detektoru.
"Tyto dva kanály nám umožňují rozlišovat mezi různými druhy interakcí," říká Ogburn. "Některé věci dělají více ionizace a některé věci dělají méně, takže můžete rozeznat rozdíl tímto způsobem."
Sestavení detektorů vyžaduje skupinu vědců z různých zařízení. Tým nakupuje krystaly od vnější společnosti a vědci ve Stanfordově centru pro integrované systémy vyrábějí měřicí přístroje na povrchu detektorů. "Používáme stejné věci k tomu, aby je lidé používali k výrobě mikroprocesorů, protože jsou také velmi malí," říká Matt Pyle, další postgraduální student v laboratoři společnosti Cabrera.
Shluky vodítek
Podmnožina WIMPS, nazývaná neutinos, jsou nejlehčí částice očekávané supersymetrií, teorie, která předpovídá mate pro každou částici, kterou jsme již pozorovali. Pokud se CDMS II podaří nalézt neutinos, byl by to první důkaz supersymetrie. "Supersymetrie naznačuje, že existuje ještě další sektor částic, které jsou partnery našich stávajících částic," říká Cabrera. "Existuje mnoho způsobů, jak supersymetrie vypadá velmi pravděpodobně." Ale zatím neexistuje žádný přímý důkaz o nějakém odpovídajícím [supersymetrickém] páru částic. “
Slabé interakce WIMPS jsou důvodem, proč ačkoliv částice temné hmoty mají hmotu a dodržují gravitační zákony, nespadají do galaxií a hvězd jako normální hmota. Aby se shlukly, částice se musí zhroutit a držet pohromadě. WIMPS však nejčastěji létají přímo u sebe. Navíc, protože WIMPS jsou neutrální, netvoří atomy, které vyžadují přitahování kladně nabitých protonů k záporně nabitým elektronům.
"Temná hmota prostupuje vším," říká Cabrera. "Prostě to nikdy nezkolabovalo, jak atomy dělaly."
Protože temná hmota nikdy netvořila hvězdy a jiné známé nebeské předměty, vědci po dlouhou dobu nikdy nevěděli, že tam je. První zmínka o jeho existenci přišla ve 30. letech, kdy švýcarsko-americký astronom Fritz Zwicky pozoroval shluky galaxií. Sčítal masy galaxií a všiml si, že není dost hmoty k tomu, aby odpovídala gravitaci, která musí existovat, aby mohla shluky držet pohromadě. Chybějící hmota musí poskytnout něco jiného, usoudil.
Později v 70. letech měřila americká astronomka Vera Rubin rychlosti hvězd v Mléčné dráze a dalších blízkých galaxiích. Když se dívala dál směrem k okrajům těchto galaxií, zjistila, že hvězdy se neotáčejí pomaleji, jak vědci očekávali. "To nedávalo smysl," říká Cabrera. "Jediný způsob, jak tomu můžete rozumět, je, že tam bylo mnohem více hmoty, než co jste viděli ve hvězdném světle."
V průběhu let se shromažďovalo stále více důkazů o temné hmotě. Ačkoli vědci ještě nevědí, co to je, mají lepší představu o tom, kde to je a kolik z toho by mělo být. "Zbývá jen velmi málo kroutícího se prostoru pro různé množství," říká Cabrera.
"Neviděli jsme nic, co by vypadalo jako zajímavý signál k dnešnímu dni," říká. Vědci CDMS II však pokračují ve vyhledávání. Takže také dělejte jiné skupiny. ZEPLIN, experiment prováděný fyziky na University of California v Los Angeles a ve Velké Británii Dark Matter Collaboration, si klade za cíl chytit WIMP v tekutých nádobách xenonu v dole poblíž anglického Sheffieldu. A na jižním pólu je ve výstavbě projekt University of Wisconsin-Madison s názvem IceCube, který bude používat optické senzory zasypané hluboko v ledu k hledání neutrin, vysokoenergetických částic, které jsou podpisy zničení WIMP.
Mezitím se CDMS II neustále vyvíjí. Jeho vědci staví větší a větší detektory, aby zvýšili své šance na nalezení WIMPS. V budoucnu tým doufá, že postaví 1tunový detektor, který by měl být schopen objevit mnoho z nejpravděpodobnějších typů WIMPS, pokud existují. "Nyní bereme data s více než dvakrát tolik cílové hmotnosti germania, než jsme měli předtím, takže teď prozkoumáváme nové teritorium," říká Ogburn. "Ale je toho mnohem víc."
Původní zdroj: Stanford News Release
