เครดิตรูปภาพ: Fermilab
ด้วยข้อมูลแรกจากหอสังเกตการณ์ใต้ดินของพวกเขาในมินนิโซตาตอนเหนือนักวิทยาศาสตร์ของ Cryogenic Dark Matter Search ได้ทำการสำรวจด้วยความไวที่สูงขึ้นกว่าที่เคยเป็นมาในอาณาจักรที่น่าสงสัยของ WIMPS การได้เห็นอนุภาคขนาดใหญ่ที่มีปฏิกิริยาต่อกันอย่างอ่อนตัวสามารถแก้ปัญหาความลึกลับคู่ของสสารมืดในระดับจักรวาลและความยิ่งใหญ่ในระดับอะตอม
ผล CDMS II ซึ่งอธิบายในกระดาษที่ส่งไปยัง Physical Review Letters แสดงด้วยความมั่นใจ 90 เปอร์เซ็นต์ว่าอัตราการตอบสนองของ WIMP ที่มีมวล 60 GeV ต้องน้อยกว่า 4 x 10-43 cm2 หรือประมาณหนึ่งปฏิสัมพันธ์ทุก 25 วันต่อกิโลกรัม ของเจอร์เมเนียมซึ่งเป็นวัสดุในเครื่องตรวจจับการทดสอบ ผลนี้บอกนักวิจัยมากกว่าที่พวกเขาเคยรู้จักมาก่อนเกี่ยวกับ WIMPS ถ้าพวกเขามีอยู่ การตรวจวัดจากเครื่องตรวจจับ CDMS II นั้นมีความไวมากกว่าอย่างน้อยสี่เท่าของการวัดที่ดีที่สุดก่อนหน้านี้ที่นำเสนอโดยการทดลอง EDELWEISS การทดลองในยุโรปใต้ดินใกล้เมืองเกรอน็อบล์ประเทศฝรั่งเศส
“ ลองนึกถึงความไวที่ได้รับการปรับปรุงนี้เช่นกล้องโทรทรรศน์ใหม่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสองเท่าดังนั้นจึงมีการสะสมแสงที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้ถึงสี่เท่า” Blas Cabrera ผู้ทำหน้าที่ CDMS II กล่าว Blas Cabrera แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าว “ ตอนนี้เราสามารถมองหาสัญญาณที่มีความสว่างเพียงหนึ่งในสี่เท่าที่เราเคยเห็นมาก่อน ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าเราคาดว่าจะปรับปรุงความอ่อนไหวของเราด้วยปัจจัย 20 หรือมากกว่า "
ผลลัพธ์จะถูกนำเสนอในการประชุมเดือนเมษายนของสมาคมกายภาพอเมริกันในวันที่ 3 และ 4 พฤษภาคมในเดนเวอร์โดยแฮร์รี่เนลสันและนักศึกษาปริญญาโทโจเอลแซนเดอร์ทั้งจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานตาบาร์บาร่าและ Gensheng Wang และ Sharmila Kamat สำรองมหาวิทยาลัย
Bernard Sadoulet จาก University of California ที่ Berkeley โฆษกของ CDMS II กล่าวว่า“ เรารู้ว่าทั้งแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคและแบบจำลองจักรวาลของเรานั้นไม่สมบูรณ์” โฆษกของ CDMS II กล่าว “ ชิ้นส่วนที่ขาดหายไปนี้ดูเหมือนจะเหมาะกับปริศนาทั้งสอง เราเห็นรูปร่างเดียวกันจากสองทิศทางที่แตกต่างกัน”
WIMP ซึ่งไม่มีค่าใช้จ่ายเป็นการศึกษาที่ขัดแย้งกัน ในขณะที่นักฟิสิกส์คาดว่าพวกมันจะมีมวลโปรตอนประมาณ 100 เท่า แต่ธรรมชาติที่เป็นผีของพวกมันทำให้พวกมันลื่นไหลผ่านสสารธรรมดาจนแทบจะไม่มีร่องรอย คำว่า "การโต้ตอบที่อ่อนแอ" ไม่ได้หมายถึงปริมาณพลังงานที่สะสมเมื่อพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับสสารปกติ แต่เป็นความจริงที่ว่าพวกมันมีปฏิสัมพันธ์อย่างไม่บ่อยนัก อันที่จริง WIMP จำนวนมากถึงแสนล้านอาจไหลผ่านร่างกายของคุณเมื่อคุณอ่านประโยคแรก ๆ เหล่านี้
ด้วยนักวิทยาศาสตร์ 48 คนจาก 13 สถาบันรวมถึงเจ้าหน้าที่ด้านวิศวกรรมเทคนิคและการบริหารอีก 28 คน CDMS II ดำเนินงานด้วยเงินทุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐจากแผนกดาราศาสตร์และฟิสิกส์ของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติและจากสถาบันสมาชิก ห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ Fermi ของ DOE ให้การจัดการโครงการสำหรับ CDMS II
“ ธรรมชาติของสสารมืดเป็นพื้นฐานของความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการก่อตัวและวิวัฒนาการของเอกภพ” ดร. เรย์มอนด์แอลออร์บาคผู้อำนวยการสำนักงานวิทยาศาสตร์ของ DOE กล่าว “ การทดลองนี้ไม่สามารถประสบความสำเร็จได้หากปราศจากความร่วมมืออย่างแข็งขันของสำนักงานวิทยาศาสตร์และมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติของ DOE”
Michael Turner ผู้ช่วยผู้อำนวยการคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์กายภาพที่ NSF อธิบายการระบุองค์ประกอบของสสารมืดเป็นหนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ทั้งในฟิสิกส์ดาราศาสตร์และฟิสิกส์อนุภาค
“ สสารมืดรวบรวมสิ่งก่อสร้างทั้งหมดในเอกภพรวมถึงทางช้างเผือกของเรา - และเรายังไม่รู้ว่าสสารมืดทำมาจากอะไร” เทอร์เนอร์กล่าว “ สมมุติฐานการทำงานคือมันเป็นรูปแบบใหม่ของสสาร - ซึ่งหากถูกต้องจะทำให้แสงสว่างในการทำงานภายในของกองกำลังและอนุภาคพื้นฐาน ในการติดตามการแก้ไขปริศนาที่สำคัญนี้ CDMS อยู่ที่ส่วนหัวของแพ็คโดยมีอีก 20 ปัจจัยของความไวที่ยังคงเกิดขึ้น”
สสารมืดในเอกภพถูกตรวจจับผ่านผลกระทบความโน้มถ่วงของมันในทุกระดับของจักรวาลตั้งแต่การเติบโตของโครงสร้างในเอกภพยุคแรกจนถึงความเสถียรของกาแลคซีในทุกวันนี้ ข้อมูลทางดาราศาสตร์จากหลายแหล่งยืนยันว่าสสารมืดที่มองไม่เห็นนี้รวมมากกว่าเจ็ดเท่าของปริมาณของสสารที่มองเห็นได้ทั่วไปก่อตัวดาวฤกษ์ดาวเคราะห์และวัตถุอื่น ๆ ในจักรวาล
“ มีบางสิ่งเกิดขึ้นในกาแลคซีและจับพวกมันไว้ด้วยกันในวันนี้และมันก็ไม่ปล่อยหรือดูดซับแสง” Cabrera กล่าว “ มวลของดาวในกาแลคซีมีเพียง 10 เปอร์เซ็นต์ของมวลทั้งหมดของกาแลคซีดังนั้นดวงดาวก็เหมือนกับไฟต้นคริสต์มาสที่ตกแต่งห้องนั่งเล่นในบ้านมืดหลังใหญ่”
นักฟิสิกส์ยังเชื่อว่า WIMPs อาจเป็นอนุภาคกึ่งอะตอมในขณะที่ยังไม่ถูกตรวจพบที่เรียกว่า neutralinos สิ่งเหล่านี้จะเป็นหลักฐานเกี่ยวกับทฤษฎีของความสมมาตรนำเสนอฟิสิกส์ใหม่ที่น่าสนใจนอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคและแรงพื้นฐานในปัจจุบัน
Supersymmetry คาดการณ์ว่าทุกอนุภาคที่รู้จักมีคู่ที่มีความสมมาตรเหนือกว่าและมีคุณสมบัติเสริมแม้ว่าจะยังไม่พบพันธมิตรใด ๆ อย่างไรก็ตามแบบจำลองสมมาตรหลายแบบคาดการณ์ว่าอนุภาคมวลเกินตัวแบบเบาที่เรียกว่าเป็นกลางมีมวลประมาณ 100 เท่าของโปรตอน
Dan Akerib จากมหาวิทยาลัย Case Western Reserve กล่าวว่านักทฤษฎีขึ้นมาพร้อมกับอนุภาคที่รู้จักกันดีเหล่านี้ทั้งหมดของอนุภาคที่รู้จักกันเพื่ออธิบายปัญหาเกี่ยวกับเครื่องชั่งระยะทางที่น้อยที่สุด "Dan Akerib จากมหาวิทยาลัย Case Western Reserve กล่าว “ หนึ่งในการเชื่อมต่อที่น่าสนใจของผู้ที่มีขนาดใหญ่มากและเล็กมากผู้ที่มีน้ำหนักเบาที่สุดของซุปเปอร์พาร์ทเนอร์เหล่านี้อาจเป็นชิ้นส่วนปริศนาที่ขาดหายไปเพื่ออธิบายสิ่งที่เราสังเกตได้จากระยะทางที่ใหญ่ที่สุด”
ทีม CDMS II ฝึก“ ดาราศาสตร์ใต้ดิน” โดยมีเครื่องตรวจจับอนุภาคตั้งอยู่เกือบครึ่งไมล์ใต้พื้นผิวโลกในเหมืองเหล็กเก่าใน Soudan รัฐมินนิโซตา เปลือกโลกยาว 2,341 ฟุตช่วยป้องกันรังสีคอสมิกและอนุภาคพื้นหลังที่มันสร้างขึ้น เครื่องตรวจจับนี้ทำจากเจอร์เมเนียมและซิลิคอนผลึกเซมิคอนดักเตอร์ที่มีคุณสมบัติคล้ายกัน เครื่องตรวจจับถูกแช่เย็นภายในหนึ่งในสิบของศูนย์องศาสัมบูรณ์ดังนั้นความเย็นที่การเคลื่อนที่ของโมเลกุลจะเล็กน้อย เครื่องตรวจจับวัดประจุและการสั่นสะเทือนพร้อมกันที่เกิดจากการโต้ตอบของอนุภาคภายในผลึก WIMPS จะส่งสัญญาณการปรากฏตัวของพวกเขาโดยปล่อยประจุน้อยกว่าอนุภาคอื่น ๆ สำหรับการสั่นสะเทือนในปริมาณเดียวกัน
Dan Bauer จาก Fermilab กล่าวว่า“ เครื่องตรวจจับของเราทำตัวเหมือนกล้องโทรทรรศน์ที่ติดตั้งฟิลเตอร์ซึ่งทำให้นักดาราศาสตร์สามารถแยกแสงสีเดียวออกจากสีอื่นได้” Dan Bauer ผู้จัดการโครงการของ Fermilab กล่าว “ ในกรณีของเราเท่านั้นเราพยายามกรองอนุภาคธรรมดาเพื่อให้ได้ WIMPS ของสสารมืด”
นักฟิสิกส์เอิร์ลปีเตอร์สันแห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตาดูแลห้องปฏิบัติการใต้ดิน Soudan ซึ่งเป็นที่ตั้งของการทดลองนิวตริโนนิวตริโนในแนวยาวของ Fermilab, Main Injector Neutrino Oscillation Search
“ ฉันตื่นเต้นกับผลลัพธ์ใหม่ที่สำคัญจาก CDMS II และฉันขอแสดงความยินดีกับการทำงานร่วมกัน” ปีเตอร์สันกล่าว “ ฉันยินดีที่สิ่งอำนวยความสะดวกของห้องปฏิบัติการ Soudan มีส่วนทำให้ความสำเร็จของ CDMS II และฉันยินดีเป็นอย่างยิ่งที่การทำงานของ Fermilab และมหาวิทยาลัยมินนิโซตาในการขยายห้องปฏิบัติการ Soudan ทำให้เกิดฟิสิกส์ใหม่ที่ยอดเยี่ยม”
เมื่อ CDSMII ค้นหา WIMP ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าสสารแห่งความมืดของจักรวาลของเราจะถูกค้นพบหรือโมเดลซูเปอร์สมมาตรขนาดใหญ่จะถูกแยกออกจากความเป็นไปได้ ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดการทดสอบ CDMS II จะมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาความเข้าใจเกี่ยวกับฟิสิกส์ของอนุภาคและจักรวาล
สถาบันความร่วมมือ CDMS II ได้แก่ มหาวิทยาลัยบราวน์, มหาวิทยาลัย Case Western Reserve, ห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ Fermi, ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley, สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ, มหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน, มหาวิทยาลัย Santa Clara, มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด, มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย - เบิร์กลีย์ มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนีย - ซานตาบาร์บาร่า, มหาวิทยาลัยโคโลราโดที่เดนเวอร์, มหาวิทยาลัยฟลอริดาและมหาวิทยาลัยมินนิโซตา
Fermilab เป็นห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์แห่งชาติของกรมวิชาการเกษตรที่ดำเนินการภายใต้สัญญาโดยสมาคมวิจัยมหาวิทยาลัย, Inc.
แหล่งต้นฉบับ: Fermilab News Release
