Poszukiwania cząstek ciemnej materii – Eksperymenty podziemne

Ciemna materia to jedna z największych zagadek współczesnej fizyki, niewidoczna substancja, która według naukowców stanowi około 85% masy we wszechświecie. Mimo że nie emituje światła, jej obecność zdradzają efekty grawitacyjne, takie jak nietypowe obroty galaktyk czy anomalie w promieniowaniu kosmicznym. W poszukiwaniu cząstek, które mogłyby ją tworzyć, naukowcy prowadzą zaawansowane eksperymenty w głębokich, podziemnych laboratoriach. Miejsca takie jak włoskie Gran Sasso czy kanadyjskie SNOLAB chronią delikatne detektory przed zakłóceniami z powierzchni Ziemi, umożliwiając wykrycie hipotetycznych cząstek ciemnej materii, jak WIMP-y. W tym artykule przyjrzymy się, jak działają te eksperymenty, jakie narzędzia są w nich używane i co mówią nam dotychczasowe wyniki.

Co to jest ciemna materia i dlaczego szukamy jej pod ziemią

Ciemna materia to hipotetyczna forma materii, która nie wchodzi w interakcje elektromagnetyczne, co oznacza, że nie widzimy jej bezpośrednio. Jej istnienie wywnioskowano z obserwacji, na przykład z krzywych rotacji galaktyk, które poruszają się szybciej, niż wyjaśnia to widoczna materia. Jednymi z głównych kandydatów na cząstki ciemnej materii są WIMP-y – czyli Weakly Interacting Massive Particles, czyli cząstki o dużej masie, które słabo oddziałują z innymi cząstkami. Aby je wykryć, naukowcy liczą na rzadkie zderzenia WIMP-ów z atomami w detektorach.

Eksperymenty prowadzone są głęboko pod ziemią, ponieważ powierzchnia Ziemi jest bombardowana przez kosmiczne promieniowanie, które mogłoby zakłócać pomiary. Na przykład laboratorium Gran Sasso w Apeninach we Włoszech znajduje się na głębokości około 1400 metrów pod masywem górskim, co stanowi naturalną tarczę przed cząstkami z kosmosu. Podobnie SNOLAB w Kanadzie jest zlokalizowane ponad 2 kilometry pod powierzchnią w kopalni soli, co minimalizuje tło szumów. Te podziemne warunki są kluczowe, bo pozwalają na wykrycie niezwykle rzadkich zdarzeń – zderzeń WIMP-ów z jądrami atomowymi, które mogą uwalniać minimalne ilości energii. Według danych oficjalnych z Europejskiego Laboratorium Cząstek Elementarnych (CERN), takie eksperymenty ustanawiają coraz bardziej precyzyjne limity na właściwości WIMP-ów, choć wciąż bez bezpośredniego dowodu.

W ostatnich latach niezależni eksperci, tacy jak fizycy z Uniwersytetu Princeton, podkreślają, że podziemne laboratoria nie tylko chronią przed promieniowaniem, ale też umożliwiają eksperymenty o niespotykanej czułości. Ciekawostką jest, że w Gran Sasso prowadzone są też inne badania, na przykład nad neutrinami, co pokazuje wszechstronność tych obiektów. Dane z eksperymentu DAMA/LIBRA w Gran Sasso sugerują sezonowe wahania, które mogłyby być związane z ruchem Ziemi przez halo ciemnej materii, choć te wyniki są kontrowersyjne i niepotwierdzone przez inne grupy.

Detektory i narzędzia używane w eksperymentach

W podziemnych laboratoriach jak Gran Sasso i SNOLAB stosuje się zaawansowane detektory, zaprojektowane do wychwytywania najsubtelniejszych sygnałów. Jednym z kluczowych narzędzi są kryogeniczne detektory, które pracują w ekstremalnie niskich temperaturach, blisko zera absolutnego (-273°C). Te urządzenia, takie jak te w eksperymencie CDMS (Cryogenic Dark Matter Search), wykorzystują materiały półprzewodnikowe, aby zarejestrować ciepło lub jonizację wywołaną zderzeniem WIMP-a z atomem krzemu lub germanu. Dzięki temu można zmierzyć energię zderzenia z precyzją na poziomie elektronowoltów.

Innym popularnym narzędziem jest ciekły xenon, używany w eksperymentach takich jak XENON1T w Gran Sasso czy LUX w SNOLAB. Detektor z ciekłym xenonem składa się z ogromnego zbiornika – na przykład XENON1T zawiera ponad 3 tony tego gazu w stanie ciekłym – otoczonego fotopowielaczami i systemami detekcji. Gdy WIMP zderzy się z jądrem ksenonu, wyzwala błysk światła i elektrony, które są rejestrowane. Oficjalne dane z XENON Collaboration pokazują, że te detektory osiągają czułość na poziomie przekrojów czynnych mniejszych niż 10^-47 cm² dla WIMP-ów o masie 50 GeV/c², co jest rekordem w tej dziedzinie.

Niuanse techniczne, odkryte przez społeczność naukową, obejmują wyzwania związane z redukcją tła. Na przykład, nawet śladowe ilości radioaktywnych izotopów w materiale detektora mogą symulować sygnały ciemnej materii, dlatego naukowcy stosują ultraczyste komponenty i zaawansowane algorytmy filtrujące. Ciekawostką jest, że w SNOLAB eksperyment DEAP-3600 używa ciekłego argonu, co jest alternatywą dla ksenonu, i osiągnął limity na WIMP-y podobne do tych z XENON. Niezależni eksperci, jak grupa z Uniwersytetu w Zuryhu, sugerują, że przyszłe detektory mogą łączyć technologie, na przykład łącząc kryogenikę z xenonem, aby zwiększyć efektywność.

Dotychczasowe wyniki i implikacje dla badań

Dotychczasowe eksperymenty, takie jak te w Gran Sasso i SNOLAB, nie wykryły bezpośrednich dowodów na istnienie WIMP-ów. Na przykład, wyniki z XENON1T z 2020 roku ustanowiły najsurowsze limity na masę i interakcje WIMP-ów, wykluczając wiele popularnych modeli z supersymetrii. To negatywne wyniki zmuszają naukowców do rozważania lżejszych kandydatów, takich jak aksjony – hipotetyczne cząstki, które mogłyby wyjaśniać zarówno ciemną materię, jak i problem CP w chromodynamice kwantowej.

Te odkrycia mają głębokie implikacje. Oficjalne raporty z Particle Data Group wskazują, że brak sygnałów oznacza, iż WIMP-y muszą być albo lżejsze niż wcześniej zakładano (poniżej 10 GeV/c²), albo bardziej egzotyczne, na przykład interakcje przez nieznane siły. Społeczność naukowa, w tym fizycy z niezależnych instytutów jak Fermilab, eksploruje alternatywy, takie jak detekcja aksjonów w eksperymentach jak ADMX (Axion Dark Matter Experiment). Ciekawostką jest, że niektóre analizy danych z kosmicznych obserwacji, jak te z satelity Fermi, sugerują pośrednie dowody na ciemną materię poprzez nadmiar promieni gamma, co uzupełnia podziemne poszukiwania.

Podsumowując, negatywne wyniki nie są porażką, ale impulsem do innowacji. One napędzają rozwój bardziej czułych detektorów i nowych teorii, jak modele z dodatkowymi wymiarami. Przyszłe eksperymenty, takie jak LZ (LUX-ZEPLIN) w SNOLAB, planowane na lata 2024-2025, mogą zmienić ten krajobraz, oferując jeszcze większą czułość. Badania ciemnej materii to nie tylko pogoń za niewidzialnym, ale też szansa na przełom w naszym rozumieniu wszechświata. Jeśli wyniki się potwierdzą, mogłyby zrewolucjonizować fizykę cząstek i kosmologię.

Materia: Ciekawostki

Treści i/lub ich fragmenty stworzono przy wykorzystaniu i/lub pomocy AI – sztucznej inteligencji. Niektóre informacje mogą być niepełne lub nieścisłe oraz zawierać błędy i/lub przekłamania.