Dzięki postępowi w technologii obrazowania pierwszy udany detektor ciemnej materii może okazać się starożytną skałą.
Widzialny wszechświat – każdy ziemniak, gazowy olbrzym, parna powieść romantyczna, czarna dziurawątpliwy tatuaż i nadpisane zdanie – to zaledwie 5 procent kosmosu.
Zespół kierowany przez Virginia Tech szuka reszty nie za pomocą teleskopów czy zderzaczy cząstek, ale badając miliardoletnie skały pod kątem śladów ciemnej materii.
Kierując transdyscyplinarnym zespołem z wielu uniwersytetów w ramach tych niekonwencjonalnych poszukiwań, Patrick Huber z fizyki również podejmuje niekonwencjonalny krok: od pracy teoretycznej do pracy eksperymentalnej.
Dzięki wsparciu w postaci nagrody w wysokości 3,5 miliona dolarów na rzecz badań nad rosnącą konwergencją przyznanej przez National Science Foundation oraz osobnej nagrodzie w wysokości 750 000 dolarów od Narodowej Administracji Bezpieczeństwa Jądrowego, Huber buduje nowe laboratorium w Robeson Hall, aby testować teorie ciemnej materii i zobaczyć, co jeszcze może wyjść na światło dzienne po drodze.
Ciemna materia jest super ciemna
Naukowcy mogą jedynie wnioskować o istnieniu ciemnej materii, ponieważ obiekty we wszechświecie spadają wokół centrum galaktyk szybciej niż powinny. Grawitacja tej niewidocznej substancji odpowiada za dodatkową moc.
W przeciwieństwie do uderzeń i zgrzytów zwykłych rzeczy, uważa się, że ciemna materia oddziałuje z inną materią tylko bardzo słabo, niezauważalnie, z wyjątkiem przypadku zderzenia z jądrem widocznej materii atom. Jądro cofając się po zderzeniu niczym atomowa kula bilardowa, wydziela iskrę energii.
W ciągu ostatnich 50 lat fizycy przeprowadzali wszelkiego rodzaju eksperymenty z ciemną materią w nadziei, że będą świadkami jednego z tych rzadkich zdarzeń odrzutu.
Dotychczas? Ciemna materia pozostała ciemna. Fizycy nie znaleźli żadnych twardych dowodów na istnienie ciemnej materii. Teraz odrzucają – głęboko w dół.
Paleodetektywi
Jeśli ciemna materia istnieje, istnieje prawdopodobieństwo, że w pewnym momencie jej 4,6 miliarda lat historii weszła w interakcję z Ziemią. A co jeśli zamiast czekać, aż ciemna materia do nich przyjdzie?, naukowcy mogliby wydobyć starożytne dowody z minerałów znajdujących się głęboko w Ziemi?
Chociaż pomysł wykorzystania skał jako podziemnych detektorów pojawił się po raz pierwszy w latach 80. XX wieku, postęp technologiczny skłonił badaczy, w tym Hubera, do ponownego rozważenia tego pomysłu.
„To szalone. Kiedy po raz pierwszy usłyszałem o tym pomyśle, pomyślałem: to szaleństwo. Chcę to zrobić” – powiedział Huber, William E. Hassinger, Jr. Senior Faculty Fellow.
Huber, będąc fizykiem teoretykiem, wymyślił teorię, jak to rozwiązać. Ale teoria nie wystarczyła. Jeśli taki plan był możliwy, chciał zobaczyć, ile potrzeba, aby go zrealizować.
„Inni ludzie w kryzysie wieku średniego mogą znaleźć kochankę lub kupić sportowy samochód. Mam laboratorium” – powiedział Huber.
Kto zapukał w jądra?
Opracowując i wykorzystując wyrafinowane techniki obrazowania, Huber i jego współpracownicy mają nadzieję odkryć miniaturowe ślady zniszczenia pozostawione przez dawno temu oddziaływania ciemnej materii wewnątrz struktur sieci krystalicznej.
Kiedy cząstka o wysokiej energii odbija się od jądra wewnątrz skały, odrzut wybuchu może wyrzucić jądro z miejsca, powiedział Wsiewołod Iwanow, badacz z Instytutu Bezpieczeństwa Narodowego Virginia Tech, który współpracuje z Huberem. Wyrzucone jądro i pusta szczelina, jaką po sobie pozostawia, reprezentują zmiany strukturalne w krysztale.
„Bierzemy kryształ, który przez miliony lat był wystawiony na działanie różnych cząstek, i odejmiemy rozkłady odpowiadające rzeczom, które znamy” – powiedział Iwanow. „To, co pozostało, musi być czymś nowym i to może być ciemna materia”.
Większość eksperymentów z ciemną materią przeprowadza się pod ziemią, aby ograniczyć zakłócenia powodowane przez inne wysokoenergetyczne cząstki zwane promieniami kosmicznymi, ale zejście pod ziemię stwarza nowy zestaw problemów. Planeta pulsuje radioaktywnym tłem, które może również zakłócać jądra. Wybitny profesor uniwersytecki Robert Bodnar, niedawno powołany do Narodowej Akademii Nauk, będzie współpracował z zespołem Hubera nad identyfikacją, lokalizacją i scharakteryzowaniem minerałów, które mogłyby służyć jako odpowiednie detektory.
Dowód w 3D
Aby rozpocząć to ogromne zadanie obrazowania, Huber współpracuje z naukowcami z Instytutu Badań nad Mózgiem Uniwersytetu w Zurychu, którzy zapewnili dostęp do specjalnej technologii obrazowania mikrobiologicznego zwykle stosowanej do obrazowania układów nerwowych zwierząt.
Zespół rozpoczął już generowanie renderingów 3D śladów cząstek wysokoenergetycznych w syntetycznym fluorku litu. Huber twierdzi, że ten sztuczny kryształ nie będzie dobrym detektorem ciemnej materii, ale pomoże w ustaleniu pełnego zakresu sygnałów, zachowując jednocześnie kryształ w stanie nienaruszonym. Nieoczekiwanym zwrotem akcji jest to, że zastosowania technologii obrazowania z użyciem fluorku litu obejmują „urządzenia do przezroczystości jądrowej”, które mogą wyglądać jak urządzenia monitorujące wielkości plecaka w reaktorach jądrowych.
Ponieważ styczne wyniki tego „szalonego” celu badawczego już okazały się natychmiastowe, Huber i jego współpracownicy będą kopać głębiej i przyglądać się bliżej, aby sprawdzić, czy stara skała może nam powiedzieć, w jaki sposób gwiazdy krążą po galaktyce.
