Astronomer vet ikke hva mørk materie er, men de vet at den tar omtrent 25% av universet. En kraftig detektor, dypt under jorden i en mineshaft i Minnesota, kan kanskje komme til bunns i mysteriet. Prosjektet Cryogenic Dark Matter Search II vil forsøke å oppdage svake interakserende massive partikler (også kjent som WIMPS). Disse teoretiske partiklene samhandler normalt ikke med materie, men en og annen sjelden kollisjon kan være påviselig.
"Det er vanskeligere og vanskeligere å komme bort fra det faktum at det er et stoff der ute som utgjør det meste av universet som vi ikke kan se," sier Cabrera. "Stjernene og galaksene i seg selv er som juletrelys på dette enorme skipet som er mørkt og verken absorberer eller avgir lys."
Begravet dypt under jorden i en mineshaft i Minnesota ligger Cabreras prosjekt, kalt Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). University of California-Berkeley fysiker Bernard Sadoulet fungerer som talsperson for innsatsen. Fermilabs Dan Bauer er prosjektleder, og Dan Akerib fra Case Western Reserve University er viseprosjektleder. Et team på 46 forskere ved 13 institusjoner samarbeider om prosjektet.
For å fange en WIMP
Eksperimentet er det mest følsomme i verden med sikte på å oppdage eksotiske partikler kalt WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), som er en av forskernes beste gjetninger på hva som utgjør mørk materie. Andre alternativer inkluderer nøytrinoer, teoretiserte partikler som kalles aksjoner eller til og med normal materie som sorte hull og brune dvergstjerner som bare er for svake til å se.
WIMPS antas å være nøytral i lading og veier mer enn 100 ganger massen til et proton. For øyeblikket eksisterer disse elementære partiklene bare i teori og har aldri blitt observert. Forskere tror de ikke har funnet dem enda fordi de er uutholdelig vanskelig å fange. WIMPS interagerer ikke med det meste - de sjenerte partiklene passerer gjennom kroppene våre - men CDMS II har som mål å fange dem i en sjelden kollisjon med atomene i prosjektets spesialproduserte detektorer.
"Disse partiklene passerer stort sett gjennom jorden uten spredning," sier Cabrera. "Den eneste grunnen til at vi til og med har en sjanse til å se hendelser, er fordi [det er] så mange av partiklene at det sjelden kommer en [inn i detektoren] og sprer."
Detektorene er gjemt under lag på jord i Soudan-gruven i Minnesota for å beskytte dem mot kosmiske stråler og andre partikler som kan kollidere med detektorene og ta feil av mørk materie. Halvparten av kampen for forskerne som jobber med CDMS II, er faktisk å beskytte instrumentene deres så mye som mulig mot alt annet enn WIMPS og å utvikle forseggjorte systemer for å fortelle forskjellen mellom mørk materie og mer jordiske partikler.
"Detektoren vår er denne hockey-puck-formede tingen som må leve på 50 tusendeler av en grad over absolutt null," sier Walter Ogburn, en doktorgradsstudent ved Stanford som jobber med prosjektet. "Det er vanskelig å gjøre ting så kalde."
For det formål ligger instrumentene plassert i en beholder kalt en isboks, foret med seks lag isolasjon, fra romtemperatur på utsiden til kaldest på innsiden. Dette holder detektorene så kalde at selv atomer ikke kan dirre.
Detektorene er laget av krystaller av fast silisium og fast germanium. Silisium- eller germaniumatomer sitter stille i et perfekt gitter. Hvis WIMPS krasjer i dem, vil de vingle og gi fra seg bittesmå varmepakker kalt fononer. Når fononer stiger til overflaten av detektorene, skaper de en endring i et veldig følsomt lag av wolfram, som forskerne kan registrere. En andre krets på den andre siden av detektoren måler ioner, ladede partikler som ville bli frigjort fra en kollisjon av en WIMP og et atom i detektoren.
"Disse to kanalene lar oss skille mellom forskjellige typer interaksjoner," sier Ogburn. "Noen ting gjør mer ionisering og andre gjør mindre, slik at du kan forstå forskjellen på den måten."
Det tar en gruppe forskere ved flere anlegg for å bygge detektorene. Teamet kjøper krystallene fra et eksternt selskap, og forskere ved Stanford's Center for Integrated Systems lager måleinstrumenter på overflatene til detektorene. "Vi bruker de samme tingene for å gjøre disse som folk bruker til å lage mikroprosessorer fordi de også er super bittesmå," sier Matt Pyle, en annen forskarstudent på Cabreras laboratorium.
Klumper av ledetråder
En undergruppe av WIMPS, kalt nøytralino, er de letteste partiklene som forventes av supersymmetri, en teori som forutsier en kompis for hver partikkel vi allerede har observert. Hvis CDMS II lykkes med å finne nøytralino, vil dette være det første beviset for supersymmetri. "Supersymmetry antyder at det er en helt annen sektor der ute av partikler som er partnere til våre eksisterende partikler," sier Cabrera. ”Det er mange måter supersymmetri ser veldig sannsynlig ut. Men det er ingen direkte bevis ennå for noe matchende [supersymmetrisk] partikkelpar. ”
De svake interaksjonene med WIMPS er grunnen til at selv om mørke materiepartikler har masse og overholder tyngdekraften, klumper de seg ikke i galakser og stjerner som vanlig materie. For å klumpe seg må partikler krasje og feste seg sammen. Men WIMPS vil ofte fly rett ved hverandre. I tillegg, fordi WIMPS er nøytrale, danner de ikke atomer, som krever tiltrekning av positivt ladede protoner til negativt ladede elektroner.
"Mørk materie gjennomsyrer alt," sier Cabrera. "Det kollapset aldri slik atomer gjorde."
Siden mørk materie aldri dannet stjerner og andre kjente himmelske gjenstander, visste forskere i lang tid aldri at den var der. Den tidligste indikasjonen på dens eksistens kom på 1930-tallet da Fritz Zwicky, en sveitsisk-amerikansk astronom, observerte klynger av galakser. Han la opp massene av galakser og la merke til at det ikke var nok masse til å redegjøre for tyngdekraften som må eksistere for å holde klyngene sammen. Noe annet må gi den manglende massen, slo han fast.
Senere på 1970-tallet målte Vera Rubin, en amerikansk astronom, hastigheten til stjerner i Melkeveien og andre nærliggende galakser. Da hun så lenger ut mot kantene på disse galaksene, fant hun ut at stjernene ikke roterer saktere som forskere forventet. "Det ga ingen mening," sier Cabrera. "Den eneste måten du kunne forstå det på, er hvis det var mye mer masse der enn det du så i stjernelyset."
Gjennom årene har flere og flere bevis for mørk materie stablet seg. Selv om forskere ennå ikke vet hva det er, har de en bedre ide om hvor det er og hvor mye av det det skal være. "Det er veldig lite vringrom igjen for å ha forskjellige mengder," sier Cabrera.
"Vi har ikke sett noe som ser ut som et interessant signal til dags dato," sier han. Men CDMS II-forskerne fortsetter søket. Gjør også andre grupper. ZEPLIN, et eksperiment som drives av fysikere ved University of California-Los Angeles og Storbritannias Dark Matter Collaboration, tar sikte på å fange WIMP-er i flytende kar av xenon i en gruve nær Sheffield, England. Og på South Pole, er et prosjekt fra University of Wisconsin-Madison kalt IceCube under bygging som vil bruke optiske sensorer begravet dypt i isen for å lete etter nøytrinoer, høyenergipartikler som er signaturer av WIMP-utslettelser.
I mellomtiden fortsetter CDMS II å utvikle seg. Forskerne bygger større og større detektorer for å øke sjansene for å finne WIMPS. I fremtiden håper teamet å bygge en 1 tonn detektor som skal kunne oppdage mange av de mest sannsynlige WIMPS-typene, hvis de finnes. "Vi tar data nå med mer enn dobbelt så mye målmasse på germanium enn vi hadde før, så vi utforsker definitivt nytt territorium akkurat nå," sier Ogburn. "Men det er mye mer å dekke."
Originalkilde: Stanford News Release
