ค้นหาอนุภาคสสารมืดที่นี่บนโลก

นักดาราศาสตร์ไม่รู้ว่าสสารมืดคืออะไร แต่พวกเขารู้ว่ามันใช้เวลาประมาณ 25% ของจักรวาล เครื่องตรวจจับที่ทรงพลังใต้ดินลึก ๆ ใน mineshaft ในมินนิโซตาอาจสามารถไปที่ด้านล่างของความลึกลับ โครงการ Cryogenic Dark Matter Search II จะพยายามตรวจหาอนุภาคขนาดใหญ่ที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างเบา (หรือ WIMPS) โดยทั่วไปแล้วทฤษฎีเชิงอนุภาคเหล่านี้จะไม่ได้มีปฏิสัมพันธ์กับสสาร แต่อาจตรวจพบการชนที่หายากเป็นครั้งคราว

“ มันยากและยากกว่าที่จะหลีกหนีจากความจริงที่ว่ามีสารอยู่ที่นั่นซึ่งประกอบไปด้วยเอกภพส่วนใหญ่ที่เรามองไม่เห็น” Cabrera กล่าว “ ดวงดาวและกาแลกซี่นั้นเหมือนแสงสว่างของต้นคริสต์มาสบนเรือขนาดใหญ่ที่มืดมิดและไม่ดูดซับหรือเปล่งแสง”

ฝังอยู่ใต้ดินลึก ๆ ใน mineshaft ในมินนิโซตาโครงการของ Cabrera เรียกว่า Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II) เบอร์นาร์ดซาดูเลต์นักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย - เบิร์กลีย์ทำหน้าที่เป็นโฆษกในความพยายาม Dan Bauer ของ Fermilab เป็นผู้จัดการโครงการและ Dan Akerib จาก Case Western Reserve University เป็นผู้จัดการโครงการรอง ทีมนักวิทยาศาสตร์ 46 คนจาก 13 สถาบันร่วมมือกันทำโครงงาน

เพื่อจับ WIMP
การทดลองนั้นละเอียดอ่อนที่สุดในโลกโดยมีเป้าหมายเพื่อตรวจจับอนุภาคแปลกใหม่ที่เรียกว่า WIMPS (Weakly Interacting Massive Partive) ซึ่งเป็นหนึ่งในการคาดเดาที่ดีที่สุดของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับสสารมืด ตัวเลือกอื่น ๆ ได้แก่ นิวตริโนอนุภาคที่มีทฤษฎีซึ่งเรียกว่า axions หรือแม้แต่สสารปกติเช่นหลุมดำและดาวแคระน้ำตาลที่ดูจางเกินไป

WIMPS คิดว่าเป็นกลางและมีน้ำหนักมากกว่า 100 เท่าของโปรตอน ในขณะที่อนุภาคมูลฐานเหล่านี้มีอยู่ในทางทฤษฎีเท่านั้นและไม่เคยสังเกตมาก่อน นักวิทยาศาสตร์คิดว่าพวกเขายังไม่พบพวกเขาเพราะพวกมันยากที่จะจับอย่างเลือดตาแทบกระเด็น WIMPS ไม่ได้มีปฏิสัมพันธ์กับสสารส่วนใหญ่ - อนุภาคขี้อายผ่านร่างกายของเรา แต่ CDMS II มีเป้าหมายที่จะจับพวกมันในการชนที่หายากกับอะตอมในเครื่องตรวจจับที่ทำขึ้นเป็นพิเศษของโครงการ

“ อนุภาคเหล่านี้ส่วนใหญ่ผ่านโลกโดยไม่กระจัดกระจาย” Cabrera กล่าว “ เหตุผลเดียวที่เรามีโอกาสได้เห็นเหตุการณ์คือเพราะมีอนุภาคจำนวนมากที่ไม่ค่อยมีใครเข้ามา [เครื่องตรวจจับ] และกระจาย”

เครื่องตรวจจับนั้นซ่อนตัวอยู่ใต้ชั้นของโลกในเหมือง Soudan ของมินนิโซตาเพื่อปกป้องพวกมันจากรังสีคอสมิกและอนุภาคอื่น ๆ ที่อาจชนกับเครื่องตรวจจับและถูกเข้าใจผิดว่าเป็นสสารมืด ในความเป็นจริงการต่อสู้ครึ่งหนึ่งสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานกับ CDMS II คือการปกป้องเครื่องมือของพวกเขาให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้จากทุกอย่างยกเว้น WIMPS และเพื่อพัฒนาระบบที่ซับซ้อนเพื่อบอกความแตกต่างระหว่างสสารมืดและอนุภาคทางโลก

“ เครื่องตรวจจับของเราเป็นสิ่งที่มีรูปทรงฮอกกี้เด็กซนที่ต้องการอาศัยอยู่ที่ระดับห้าหมื่นกว่าศูนย์แน่นอน” Walter Ogburn นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าว “ มันยากที่จะทำสิ่งที่เย็น”

ด้วยเหตุนี้เครื่องมือจะถูกวางไว้ในกระป๋องที่เรียกว่ากล่องน้ำแข็งที่มีฉนวนกันความร้อนหกชั้นตั้งแต่อุณหภูมิห้องด้านนอกไปจนถึงจุดที่เย็นที่สุดภายใน สิ่งนี้ทำให้เครื่องตรวจจับเย็นมากจนแม้แต่อะตอมก็ไม่สั่น

เครื่องตรวจจับนี้ทำมาจากผลึกของซิลิกอนแข็งและเจอร์เมเนียม อะตอมซิลิคอนหรือเจอร์เมเนียมยังคงอยู่ในตาข่ายที่สมบูรณ์แบบ หาก WIMPS ชนพวกเขาพวกเขาจะกระดิกและปล่อยแพ็คความร้อนเล็ก ๆ ที่เรียกว่าโฟนันส์ เมื่อโฟนันส์ขึ้นสู่พื้นผิวของเครื่องตรวจจับพวกมันจะสร้างการเปลี่ยนแปลงในชั้นที่ไวต่อแสงของทังสเตนซึ่งนักวิจัยสามารถบันทึกได้ วงจรที่สองที่อีกด้านหนึ่งของเครื่องตรวจจับวัดไอออนอนุภาคที่มีประจุซึ่งจะถูกปล่อยออกมาจากการชนของ WIMP และอะตอมในเครื่องตรวจจับ

“ ทั้งสองแชนเนลนั้นให้เราเห็นความแตกต่างระหว่างการมีปฏิสัมพันธ์ที่แตกต่างกัน” Ogburn กล่าว “ บางสิ่งทำให้เกิดไอออนไนซ์มากขึ้นและบางอย่างก็น้อยลงดังนั้นคุณสามารถบอกความแตกต่างได้ในแบบนั้น”

ต้องใช้ทีมนักวิทยาศาสตร์ในโรงงานหลายแห่งเพื่อสร้างเครื่องตรวจจับ ทีมซื้อผลึกจาก บริษัท ภายนอกและนักวิจัยที่ศูนย์ระบบบูรณาการของ Stanford ทำเครื่องมือวัดบนพื้นผิวของเครื่องตรวจจับ “ เราใช้สิ่งเดียวกันในการทำให้สิ่งเหล่านี้ที่ผู้คนใช้ในการทำไมโครโปรเซสเซอร์เพราะมันยังเล็กมาก” Matt Pyle นักศึกษาปริญญาโทอีกคนหนึ่งในห้องปฏิบัติการของ Cabrera กล่าว

กลุ่มของเบาะแส
ชุดย่อยของ WIMPS เรียกว่า neutralinos เป็นอนุภาคที่เบาที่สุดที่คาดไว้โดย supersymmetry ทฤษฎีที่ทำนายคู่สำหรับทุกอนุภาคที่เราสังเกตเห็นแล้ว หาก CDMS II ประสบความสำเร็จในการค้นหา Neutralinos นี่จะเป็นหลักฐานแรกของการเกิดความสมมาตร "Supersymmetry ชี้ให้เห็นว่ามีส่วนอื่นทั้งหมดที่มีอนุภาคที่เป็นพันธมิตรของอนุภาคที่มีอยู่ของเรา" Cabrera กล่าว “ มีหลายวิธีในการที่ความสมมาตรดูน่าจะเป็นไปได้มาก แต่ยังไม่มีหลักฐานโดยตรงสำหรับคู่อนุภาค [supersymmetric] ที่เข้าคู่กัน”

ปฏิกิริยาที่อ่อนแอของ WIMPS คือสาเหตุที่แม้ว่าอนุภาคสสารมืดจะมีมวลและเชื่อฟังกฎของแรงโน้มถ่วง แต่ก็ไม่ได้รวมตัวกันเป็นกาแลคซีและดวงดาวเหมือนสสารปกติ ในการรวมตัวเป็นก้อนอนุภาคจะต้องชนและเกาะติดกัน แต่ WIMPS ส่วนใหญ่มักจะบินโดยกันและกัน ยิ่งไปกว่านั้นเพราะ WIMPS นั้นเป็นกลางจึงไม่ก่อให้เกิดอะตอมซึ่งต้องการแรงดึงดูดของโปรตอนที่มีประจุบวกกับอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ

“ สสารมืดแทรกซึมทุกอย่าง” Cabrera กล่าว “ มันไม่เคยยุบเหมือนที่อะตอมทำ”

เนื่องจากสสารมืดไม่เคยก่อตัวดาวฤกษ์และวัตถุสวรรค์อื่น ๆ ที่คุ้นเคยมานานนักวิทยาศาสตร์ไม่เคยรู้เลยว่ามันอยู่ที่นั่น ข้อบ่งชี้ที่เร็วที่สุดของการดำรงอยู่ของมันเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1930 เมื่อ Fritz Zwicky นักดาราศาสตร์ชาวสวิส - อเมริกัน เขารวมมวลกาแลคซีเข้าด้วยกันและสังเกตว่ามีมวลไม่เพียงพอที่จะอธิบายถึงแรงโน้มถ่วงที่ต้องมีเพื่อรวมกลุ่มเข้าด้วยกัน อย่างอื่นจะต้องให้มวลที่หายไปเขาอนุมาน

ต่อมาในปี 1970 Vera Rubin นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันได้วัดความเร็วของดาวในทางช้างเผือกและกาแลคซีใกล้เคียงอื่น ๆ เมื่อเธอมองไกลออกไปที่ขอบกาแลคซีเหล่านี้เธอก็พบว่าดาวไม่หมุนช้ากว่าที่นักวิทยาศาสตร์คาดไว้ “ นั่นไม่สมเหตุสมผลเลย” Cabrera กล่าว “ วิธีเดียวที่คุณสามารถเข้าใจได้ก็คือถ้ามีมวลมากกว่านั้นเท่าที่คุณเห็นในแสงดาว”

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมามีหลักฐานสสารมืดมากขึ้นเรื่อย ๆ แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะยังไม่ทราบว่ามันคืออะไรพวกเขามีความคิดที่ดีขึ้นว่ามันอยู่ที่ไหนและควรจะมีเท่าไหร่ “ มีห้องเลื้อยเล็กน้อยเหลืออยู่เพราะมีปริมาณแตกต่างกัน” Cabrera กล่าว

“ เราไม่เห็นสิ่งใดที่ดูเหมือนเป็นสัญญาณที่น่าสนใจจนถึงปัจจุบัน” เขากล่าว แต่นักวิจัย CDMS II ยังคงค้นหาต่อไป ดังนั้นทำกลุ่มอื่นด้วย ZEPLIN การทดลองที่ดำเนินการโดยนักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย - ลอสแองเจลิสและสหราชอาณาจักร Dark Matter Collaboration มีเป้าหมายที่จะจับ WIMPs ในถังของเหลวซีนอนในเหมืองใกล้ Sheffield, อังกฤษ และที่ขั้วโลกใต้โครงการ University of Wisconsin-Madison ชื่อ IceCube กำลังอยู่ในระหว่างการก่อสร้างซึ่งจะใช้เซ็นเซอร์แสงที่ฝังลึกอยู่ในน้ำแข็งเพื่อค้นหานิวตริโนอนุภาคพลังงานสูงที่เป็นลายเซ็นของการทำลายล้าง WIMP

ในขณะเดียวกัน CDMS II ยังคงพัฒนาต่อไป นักวิจัยกำลังสร้างเครื่องตรวจจับที่ใหญ่ขึ้นและใหญ่ขึ้นเพื่อเพิ่มโอกาสในการค้นหา WIMPS ในอนาคตทีมหวังที่จะสร้างเครื่องตรวจจับขนาด 1 ตันซึ่งน่าจะสามารถค้นพบ WIMPS ประเภทที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดหากมีอยู่ “ ตอนนี้เรากำลังบันทึกข้อมูลที่มีมวลเป้าหมายมากกว่าสองเท่าของเจอร์เมเนียมมากกว่าที่เคยมีมาดังนั้นเราจึงกำลังสำรวจดินแดนใหม่ในตอนนี้” Ogburn กล่าว “ แต่ยังมีอะไรให้ครอบคลุมอีกมาก”

แหล่งต้นฉบับ: ข่าวสแตนฟอร์ด