Астрономы не знают, что такое темная материя, но они знают, что она занимает примерно 25% Вселенной. Мощный детектор, находящийся глубоко под землей в шахте в Миннесоте, мог бы разгадать тайну. Проект Cryogenic Dark Matter Search II попытается обнаружить слабо взаимодействующие массивные частицы (также известные как WIMPS). Эти теоретические частицы обычно не взаимодействуют с веществом, но случайные редкие столкновения могут быть обнаружены.
«Сложнее и труднее уйти от того факта, что существует вещество, которое составляет большую часть вселенной, которую мы не можем видеть», - говорит Кабрера. «Сами звезды и галактики похожи на огни рождественской елки на этом огромном темном корабле, который не поглощает и не излучает свет».
Глубоко под землей в шахте в Миннесоте находится проект Кабреры, который называется «Криогенный поиск темной материи II» (CDMS II). Калифорнийский университет в Беркли, физик Бернард Садоул, выступает в качестве представителя этих усилий. Дэн Бауэр из Fermilab - руководитель проекта, а Дэн Акериб из Case Western Reserve University - заместитель руководителя проекта. Команда из 46 ученых из 13 учреждений сотрудничает по проекту.
Чтобы поймать WIMP
Эксперимент является самым чувствительным в мире, целью которого является обнаружение экзотических частиц, называемых WIMPS (слабо взаимодействующие массивные частицы), которые являются одним из лучших предположений ученых о том, из чего состоит темная материя. Другие варианты включают нейтрино, теоретизированные частицы, называемые аксионами, или даже обычную материю, такую как черные дыры и коричневые карликовые звезды, которые слишком слабы, чтобы их видеть.
WIMPS считаются нейтральными по заряду и весят более чем в 100 раз больше массы протона. На данный момент эти элементарные частицы существуют только в теории и никогда не наблюдались. Ученые думают, что они еще не нашли их, потому что их мучительно трудно поймать. WIMPS не взаимодействуют с большей частью материи - застенчивые частицы проходят прямо через наши тела - но CDMS II стремится поймать их в редком столкновении с атомами в специальных детекторах проекта.
«Эти частицы в основном проходят через Землю без рассеяния», - говорит Кабрера. «Единственная причина, по которой у нас даже есть шанс увидеть события, заключается в том, что [существует] так много частиц, что очень редко одна попадает [в детектор] и рассеивается».
Детекторы спрятаны под слоями земли в шахте Soudan в Миннесоте, чтобы защитить их от космических лучей и других частиц, которые могут столкнуться с детекторами и быть ошибочно приняты за темную материю. Фактически, полдела для ученых, работающих над CDMS II, заключается в том, чтобы максимально защитить свои инструменты от всего, кроме WIMPS, и разработать сложные системы, позволяющие определить разницу между темной материей и более обычными частицами.
«Наш детектор - это хоккейная шайба, которая должна жить на 50 тысячных градуса выше абсолютного нуля», - говорит Уолтер Огберн, аспирант из Стэнфорда, работающий над проектом. «Трудно сделать вещи такими холодными».
Для этого инструменты располагаются в канистре, называемой морозильной камерой, с шестью слоями изоляции, от комнатной температуры снаружи до самой холодной внутри. Это держит детекторы настолько холодными, что даже атомы не могут дрожать.
Детекторы выполнены из кристаллов твердого кремния и твердого германия. Атомы кремния или германия неподвижны в идеальной решетке. Если WIMPS врезается в них, они покачиваются и испускают крошечные пакеты тепла, называемые фононами. Когда фононы поднимаются на поверхность детекторов, они создают изменения в очень чувствительном слое вольфрама, который исследователи могут записать. Вторая цепь на другой стороне детектора измеряет ионы, заряженные частицы, которые будут освобождены от столкновения WIMP и атома в детекторе.
«Эти два канала позволяют нам различать различные виды взаимодействия», - говорит Огберн. «Некоторые вещи производят больше ионизации, а некоторые - меньше, так что вы можете увидеть разницу таким образом».
Для создания детекторов требуется группа ученых на нескольких объектах. Команда покупает кристаллы у сторонней компании, а исследователи из Стэнфордского центра интегрированных систем делают измерительные приборы на поверхностях детекторов. «Мы используем те же самые вещи, что и люди, которые делают микропроцессоры, потому что они также очень малы», - говорит Мэтт Пайл, еще один аспирант в лаборатории Кабреры.
Глыбы подсказок
Подмножество WIMPS, называемое нейтралино, - это самые легкие частицы, ожидаемые суперсимметрией, теорией, которая предсказывает сопряжение для каждой частицы, которую мы уже наблюдали. Если CDMS II успешно обнаружит нейтралино, это будет первым доказательством суперсимметрии. «Суперсимметрия предполагает, что существует целый другой сектор частиц, которые являются партнерами наших существующих частиц», - говорит Кабрера. «Существует много способов, с помощью которых суперсимметрия выглядит очень вероятной. Но пока нет прямых доказательств какой-либо совпадающей [суперсимметричной] пары частиц ».
Слабые взаимодействия WIMPS - вот почему, хотя частицы темной материи имеют массу и подчиняются законам гравитации, они не слипаются в галактики и звезды, как нормальная материя. Чтобы собраться, частицы должны разбиться и склеиться. Но WIMPS чаще всего летят прямо друг за другом. Кроме того, поскольку WIMPS являются нейтральными, они не образуют атомов, что требует притяжения положительно заряженных протонов к отрицательно заряженным электронам.
«Темная материя пронизывает все», - говорит Кабрера. «Он никогда не разрушался так, как атомы».
Поскольку темная материя никогда не образовывала звезды и другие знакомые небесные объекты, в течение долгого времени ученые никогда не знали, что это было там. Самое раннее свидетельство его существования появилось в 1930-х годах, когда Фриц Цвикки, швейцарско-американский астроном, наблюдал скопления галактик. Он сложил массы галактик и заметил, что не было достаточно массы, чтобы учесть гравитацию, которая должна существовать, чтобы скрепить скопления. Что-то еще должно обеспечить недостающую массу, заключил он.
Позже, в 1970-х годах, американский астроном Вера Рубин измерила скорости звезд в Млечном Пути и других близлежащих галактиках. Когда она посмотрела дальше к краям этих галактик, она обнаружила, что звезды не вращаются медленнее, чем ожидали ученые. «Это не имеет никакого смысла», - говорит Кабрера. «Единственный способ понять это, если бы там было намного больше массы, чем то, что вы видели в свете звезд».
С годами накапливалось все больше и больше доказательств темной материи. Хотя ученые еще не знают, что это такое, у них есть лучшее представление о том, где оно и сколько его должно быть. «Осталось очень мало места для маневра для разных количеств», - говорит Кабрера.
«Мы не видели ничего похожего на интересный сигнал на сегодняшний день», - говорит он. Но исследователи CDMS II продолжают поиск. То же самое делают и другие группы. ZEPLIN, эксперимент, проводимый физиками из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Соединенного Королевства Dark Matter Collaboration, направлен на то, чтобы поймать WIMP в жидких чанах с ксеноном в шахте близ Шеффилда, Англия. А на Южном полюсе строится проект Университета Висконсин-Мэдисон под названием IceCube, который будет использовать оптические датчики, скрытые глубоко во льду, для поиска нейтрино, частиц высоких энергий, которые являются признаками аннигиляции WIMP.
Между тем CDMS II продолжает развиваться. Его исследователи строят все большие и большие детекторы, чтобы увеличить свои шансы найти WIMPS. В будущем команда надеется создать 1-тонный детектор, который сможет обнаруживать многие из наиболее вероятных типов WIMPS, если они существуют. «Сейчас мы получаем данные с более чем вдвое большей целевой массой германия, чем раньше, поэтому мы определенно исследуем новую территорию прямо сейчас», - говорит Огберн. «Но есть еще много чего».
Первоисточник: Стэнфордский пресс-релиз
