Poszukiwania ciemnej materii

Olbrzymim osiągnięciem współczesnej nauki jest poznanie podstawowych elementów materii oraz występujących pomiędzy nimi oddziaływań. Dziś wiemy, że wszechświat zbudowany jest z cząstek elementarnych (np. elektronów i kwarków – kwarki budują np. protony), obok których występują ich antycząstki. Dodatkowo istnieją tzw. cząstki pośredniczące – te z kolei odpowiadają za przekazywanie trzech fundamentalnych oddziaływań (elektromagnetycznego, słabego oraz silnego). Przykładem cząstek pośredniczących mogą być fotony, które przenoszą oddziaływanie elektromagnetyczne. Teorią opisującą cząstki elementarne i ich wzajemne oddziaływania jest Model Standardowy. To jedna z najdoskonalszych teorii kiedykolwiek stworzonych przez człowieka. Jej różnorakie przewidywania teoretyczne zostały potwierdzone doświadczalnie w ostatnich dekadach, a ich zwieńczeniem było odkrycie w 2012 r. „boskiej cząstki” – bozonu Higgsa.

Czego wciąż nie wiemy?

Pomimo niepodważalnego sukcesu Modelu Standardowego teoria ta nie odpowiada na szereg istotnych pytań dotyczących przyrody, w tym nie tłumaczy istnienia tzw. ciemnej materii. To właśnie dzięki ciemnej materii gwiazdy wirują w galaktykach inaczej, niżbyśmy się tego spodziewali na podstawie analizy materii „widocznej”, która albo emituje, albo absorbuje, albo rozprasza światło. Sprawia ona również, że promienie świetlne ulegają zagięciu w pozornie pustej przestrzeni. W końcu analiza kosmicznego promieniowania tła wykazuje właściwości, które wskazują na istnienie dodatkowych, jeszcze niezidentyfikowanych cząstek. Co ciekawe, jeśli ciemna materia w ogóle oddziałuje ze zwykłą materią inaczej niż grawitacyjnie, robi to bardzo słabo. I to właśnie dlatego, jak się wydaje, ciągle nie udało się bezpośrednio wykryć cząstek ciemnej materii.

Dość dużo możemy jednak powiedzieć o ciemnej materii na podstawie obserwacji pośrednich. Na przykład obserwacje astronomiczne wykazały, że stanowi ona aż 25% całkowitej energii wszechświata (energia i masa są równoznaczne, czego dowodzi najsłynniejsze równanie fizyki E=mc², gdzie E to energia, m to masa, c zaś jest prędkością światła). Dla porównania zwykła materia to zaledwie 5% tej energii. Lecz chociaż zwykłej materii istnieje średnio pięć razy mniej, to jej lokalna gęstość na Ziemi jest nawet setki tryliardów (1 i 23 zera) razy większa od wartości średniej (w przestrzeni kosmicznej nie ma jej za to prawie w ogóle). To właśnie dzięki temu gigantycznemu wzmocnieniu tak łatwo wykryć zwykłą materię. Jeśli ciemna materia nie tworzy takich gęstych struktur, jej wykrycie staje się zatem bardzo trudne.

Jak poszukiwać ciemnej materii?

Aby wyjaśnić problem ciemnej materii, naukowcy od lat tworzą nowe teorie, które pozwoliłyby na zrozumienie tego fenomenu. Teorie te każdorazowo przewidują istnienie nowych cząstek, a często również nowych oddziaływań. Z uwagi na ograniczoną liczbę przesłanek doświadczalnych rozważania te nie są silnie ograniczone. Dlatego pewne modele przewidują istnienie niezmiernie lekkich cząstek, a inne – niesłychanie ciężkich obiektów astronomicznych. Rozpina to ogromną skalę potencjalnych mas, którą obiekty ciemnej materii mogłyby posiadać. W tworzonych modelach najlżejsze cząstki od tych najcięższych dzieli niemal 100 rzędów (jeden do jednego ze stoma zerami) różnicy. Jak olbrzymia jest to dysproporcja, można sobie uświadomić, gdy przypomnimy, że stosunek rozmiarów wszechświata do rozmiarów protonu to różnica „zaledwie” 40 rzędów.

Mimo wielkiej mnogości ciemnomaterialnych kandydatur niektóre z propozycji wydają się bardziej prawdopodobne. Przez lata jednym z najpoważniejszych były tzw. WIMP-y. Cząstki te miałyby mieć masy z zakresu od mas porównywalnych z masą protonów do mas bozonu Higgsa (ok. 130 mas protonu), tj. byłyby one jednymi z najcięższych cząstek elementarnych występujących w przyrodzie. W różnych laboratoriach na świecie od wielu lat prowadzi się eksperymenty poszukujące śladów tych cząstek w zachowaniu zwykłej materii. Szczególnym przykładem mogą być doświadczenia z użyciem wielkich detektorów chłodzonych do bardzo niskich temperatur, gdzie oddziaływanie WIMP-u ze zwykłą materią prowadziłoby do powstania promieniowania dającego się wykryć doświadczalnie.

Innym poważnym kandydatem są cząstki zwane aksjonami. W przeciwieństwie do WIMP-ów aksjony byłyby cząstkami niezmiernie lekkimi, o masach mniejszych od najlżejszych znanych cząstek (neutrin) o wiele rzędów wielkości. To właśnie ta niewielka masa sprawia, że strategia ich wykrycia musi być różna od tych wykorzystywanych do poszukiwania WIMP-ów. Naukowcy postanowili wykorzystać tu tzw. efekt Primakoffa. To zjawisko teoretycznie polegałoby na przemianie aksjonu w foton promieniowania elektromagnetycznego, który byłby następnie wykrywany konwencjonalnymi technikami.

Choć proces konwersji jednej cząstki w inną kłóci się ze zdrowym rozsądkiem, to w naturze nie jest to wcale zjawisko rzadkie. Szczególnym przykładem może tu być przemiana swobodnego neutronu w proton. W przypadku aksjonów jednak proces ten byłby bardzo mało prawdopodobny i dlatego naukowcy starają się konstruować specjalne eksperymenty, będące „wzmacniaczami” aksjonów. Eksperymenty te wykorzystują specjalne wnęki rezonansowe, będące swego rodzaju gitarowym pudłem rezonansowym na aksjony. W takich wnękach mogłoby dochodzić do o wiele częstszej transformacji aksjonów w fotony. Efekt wzmocnienia dotyczy jednak tylko bardzo wąskiego zakresu energii, dlatego systematyczne pomiary wymagają przestrajania rezonatora tak, by sprawdzić wiele możliwości. Inna strategia poszukiwania aksjonów wykorzystywana jest w helioskopach. Choć urządzenia te przypominają teleskopy (masywna tuba skierowana zawsze w stronę Słońca), to w przeciwieństwie do nich pozbawione są optyki, a w ich wnętrzu panuje bardzo silne pole magnetyczne. Wiele modeli teoretycznych przewiduje, że w tak silnym polu wzrasta prawdopodobieństwo konwersji aksjon–foton, dzięki czemu rośnie też prawdopodobieństwo pośredniej detekcji aksjonów. Dodatkowo helioskopy wykorzystują przewidywania teoretyczne, że do produkcji aksjonów dochodzi wewnątrz naszej gwiazdy (stąd skierowanie ich w stronę Słońca).

Co tutaj nie gra?

Obok wspomnianych powyżej eksperymentów istnieje wiele innych dróg doświadczalnych poszukiwania WIMP-ów, aksjonów czy innych cząstek ciemnej materii. Niestety żadna z nich nie dostarczyła niepodważalnych dowodów istnienia ciemnej materii. Przyczyn tego może być kilka. Pierwszą jest wciąż zbyt mała czułość prowadzonych pomiarów. W takim przypadku, nawet jeśli istnieją inne od grawitacyjnych oddziaływania pomiędzy ciemną a zwykłą materią, wciąż nie możemy zarejestrować sygnałów, które byłyby ich skutkiem. Remedium w tym przypadku jest konstruowanie coraz czulszych eksperymentów, co w praktyce dzieje się od wielu lat. Drugim wytłumaczeniem mógłby być błędny opis teoretyczny przyrody, a wtedy wyjaśnieniem niezrozumiałej ewolucji obiektów astronomicznych mogłaby być m.in. modyfikacja praw grawitacji. Wielu naukowców stara się zatem badać tę właśnie możliwość, tworząc coraz to nowe modele teoretyczne. Mimo to do tej pory żadna z modyfikacji nie przetrwała porównania z doświadczeniem (zostały one zweryfikowane negatywnie) i dlatego modele te odrzucono. Oczywiście samo założenie możliwości istnienia niegrawitacyjnego oddziaływania pomiędzy zwykłą a ciemną materią mogłoby być błędne. Wtedy obie materie istniałyby obok siebie do pewnego stopnia niezależnie (poza wzajemnym oddziaływaniem grawitacyjnym). Jednak nasza dotychczasowa wiedza i doświadczenie dotyczące innych znanych oddziaływań sprawiają, że scenariusz ten nie wydaje się prawdopodobny. W końcu istnieje trzecia, niepodejmowana przez lata możliwość wiążąca się z metodologią samych pomiarów.

Na wynik dowolnego pomiaru fizycznego wpływają dwa elementy: poszukiwany sygnał oraz szum przypadkowy, którym taki sygnał jest zawsze obdarzony. Z uwagi na przypadkowy charakter szumu wielokrotne powtórzenie pomiarów i uśrednienie otrzymywanych wyników pozwala na jego zmniejszenie, podczas gdy poszukiwany sygnał będzie miał taki sam charakter w każdym pomiarze. Uśrednienie więc prowadzi do poprawy stosunku sygnału do szumu i nawet w sytuacji, gdy w pojedynczym badaniu sygnał nie jest widoczny, po wielokrotnym powtórzeniu zaczyna on się „wyłaniać” z szumu. To właśnie dlatego w większości eksperymentów poszukujących ciemnej materii pomiary prowadzi się przez dłuższy czas, a otrzymane wyniki się uśrednia. Gdyby warunki kolejnych pomiarów były zatem identyczne, taka strategia prowadziłaby do pojawienia się sygnału. Łatwo jednak się domyślić, że gdyby wykrywany sygnał był zmienny w czasie czy pojawiał się tylko na krótko, uśrednianie nie tylko nie powodowałoby wzrostu stosunku sygnału do szumu, ale przeciwnie – prowadziłoby do zmniejszenia mierzonego sygnału. To właśnie negatywny wynik konwencjonalnych poszukiwań ciemnej materii sprawił, że w ostatnich latach zdecydowanie wzrosła intensywność teoretycznych i doświadczalnych prac nakierowanych na analizę takiej możliwości.

Ciemne gwiazdy i ciemne planety

W jaki sposób mogłoby dochodzić do powstania takich chwilowych oddziaływań pomiędzy normalną a ciemną materią? Inspiracji można np. szukać w otaczającym nas wszechświecie. Skoro zwykła materia tworzy takie struktury jak planety czy gwiazdy, to czy nie mogą istnieć ich ciemne odpowiedniki? Oczywiście układy takie musiałyby powstawać nie na skutek znanych nam oddziaływań (bo wtedy moglibyśmy łatwo namierzyć ciemną materię), ale pewnych innych, nieodkrytych jeszcze sił. Żeby jednak obiekty takie były stabilne i nie powodowały zaburzeń ruchu planet w Układzie Słonecznym, ciemne gwiazdy czy planety nie mogą być zbyt masywne. Dodatkowo obiekty te nie powinny być mniejsze od Ziemi, aby można je było wykryć. Założenie te naturalnie implikują gęstość ciemnych obiektów w Układzie Słonecznym i częstotliwość zderzeń z Ziemią. Przykładowo, istnieje szereg modeli przewidujących, że do takich zderzeń mogłoby dochodzić nawet kilka razy w roku.

Pozostaje pytanie, dlaczego przez tak wiele lat naukowcy nie przeprowadzili eksperymentów mających wykryć chwilowe oddziaływania z ciemną materią. Powody są dwa. Pierwszy można nazwać antropologicznym. W nauce, podobnie jak w innych dziedzinach życia, obowiązują mody i trendy. Dlatego długo projektowano eksperymenty nakierowane na szukanie stałych efektów oddziaływania z ciemną materią. Drugi powód wiąże się z przywołanym wcześniej problemem szumu w rejestrowanych sygnałach. Szum taki, prowadząc do powstania szpilek w sygnałach doświadczalnych, może imitować chwilowe oddziaływania pomiędzy ciemną a zwykłą materią. Konieczne zatem staje się odróżnienie szumu od prawdziwych sygnałów, których źródłem mogłaby być ciemna materia.

Wychodząc naprzeciw temu wyzwaniu, kilka lat temu grupa naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley zaproponowała nowy schemat poszukiwań ciemnej materii. Pomysł wykorzystuje ideę równoczesnych pomiarów w wielu oddalonych od siebie eksperymentach. Każdy z nich rejestruje sygnały, które obarczone są szumem, w tym także krótkimi zmianami (szpilkami), które można by interpretować jako skutek oddziaływania z ciemną materią. Ponieważ jednak szum ma charakter przypadkowy, a do tego jest lokalny (wyjątkiem mogą być pojawiające się w skali globalnej zaburzenia związane np. z aktywnością słoneczną), porównanie (korelacje) sygnałów rejestrowanych w różnych eksperymentach eliminuje go, pozwalając na identyfikacje zaburzeń istniejących jednocześnie w skali całej Ziemi. A że sieć sensorów pozwala na wykrycie takich zaburzeń, zaproponowany schemat otwiera nowe pole do poszukiwań nieznanych oddziaływań.

W oryginalnym pomyśle do prowadzenia tego typu poszukiwań wykorzystano magnetometry optyczne. Urządzenia te są najdokładniejszymi znanymi obecnie miernikami pola magnetycznego, które wykorzystują fakt, że atomy posiadają momenty magnetyczne, tzn. zachowują się jak małe kompasy. W konsekwencji zachowanie atomów – tzn. w którą stronę w przestrzeni będą zwrócone momenty magnetyczne albo z jaką prędkością będą one wirować wokół zewnętrznego pola magnetycznego – zależy od kierunku i wartości tego pola. W magnetometrach optycznych zachowanie momentów magnetycznych wielu atomów jest zsynchronizowane, co prowadzi do zmian właściwości całego ośrodka. W szczególności powstała na skutek oddziaływania ze światłem anizotropia optyczna ośrodka (inne absorpcja czy współczynnik załamania w zależności od polaryzacji światła) zmienia się wraz z polem magnetycznym. To właśnie wywołane anizotropią optyczną późniejsze zmiany natężenia czy polaryzacji światła przechodzącego przez taki ośrodek stoją u podstaw działania magnetometrów optycznych.

W kontekście poszukiwań ciemnej materii najistotniejsze jest to, że wiele modeli teoretycznych przewiduje, że oddziaływania z nią miałyby analogiczny efekt do tego, jaki ma pole magnetyczne. Sprawia to, że magnetometry optyczne stają się bardzo czułymi narzędziami, które mogą być wykorzystane do jej rozpoznania.

Na podstawie opisanego powyżej pomysłu i pierwszych pomiarów przeprowadzonych w Krakowie i Berkeley skonstruowano sieć obecnie składającą się z przeszło 10 eksperymentów. Czujniki te nie tylko cechują się bardzo wysoką czułością, ale również bardzo dobrą rozdzielczością czasową (znacząco poniżej mikrosekundy). Umożliwia to precyzyjne korelowanie sygnałów rejestrowanych w laboratoriach rozmieszczonych na trzech kontynentach, a nawet określenie kierunku rozchodzenia się zaburzenia. Wypracowano również techniki obróbki sygnałów, w tym automatycznej identyfikacji zaburzeń. Jest to bardzo ważne z uwagi na wielkie ilości analizowanych danych. W szczególności 10 pracujących magnetometrów dostarcza w każdej sekundzie przeszło 5 tys. punktów pomiarowych, a ponieważ pomiar trwa wiele miesięcy, w chwili pisania artykułu analizowane są dane zawierające 100 mld takich punktów.

Dotychczasowe prace pozwoliły na analizy kilku wcześniej niebadanych modeli teoretycznych. Sprawdzano m.in. scenariusze, w których co kilka miesięcy dochodziłoby do zderzeń Ziemi z ciemnymi planetami. Badania te nie doprowadziły do odkrycia ciemnej materii. Problemem, podobnie jak w tradycyjnych eksperymentach, może być wciąż niewystarczająca czułość narzędzi. Dlatego nieprzerwanie trwają prace nad kolejną generacją czujników pola magnetycznego, które będą jeszcze precyzyjniejszymi detektorami. Niezależnie od tego wciąż testuje się nowe modele teoretyczne, a sama sieć stanie się w przyszłości elementem większej sieci astronomicznej, która ma prowadzić pomiary w ramach tzw. astronomii wielosygnałowej. Dzięki temu da się korelować sygnały magnetometrów z rozbłyskami gamma czy falami grawitacyjnymi, co pozwoli na uzyskanie pełniejszej informacji na temat zjawisk zachodzących w przestrzeni międzygwiezdnej (np. zderzeń czarnych dziur, rozbłysków gamma czy wybuchów supernowej).

Warto na koniec wspomnieć, że zaproponowana przez naukowców z Krakowa i Berkeley idea pomiarów równoległych szybko znalazła naśladowców. Obecnie tworzonych jest kilka sieci precyzyjnych czujników atomowych (np. sieć zegarów atomowych czy sieć interferometrów atomowych), które miałyby prowadzić analogiczne odczyty jak magnetometry optyczne, z tą różnicą, że przetestują inne rodzaje oddziaływań pomiędzy zwykłą a ciemną materią. Czy doprowadzą one do wykrycia ciemnej materii? Cóż, czas pokaże.

Mikhail Padniuk i Szymon Pustelny
Uniwersytet Jagielloński