Czy ciemna materia ujawni swoje tajemnice?

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Naukowcy lubią powtarzać, że wyniki negatywne są równie ważne, jak pozytywne, ale nawet wśród nich po kilkudziesięciu latach próżnych poszukiwań narasta zniecierpliwienie. W latach 90. zainicjowano serię eksperymentów mających na celu wykrycie cząstek ciemnej materii, która najwyraźniej występuje powszechnie w kosmosie, ale nie jest dostępna naszym bezpośrednim obserwacjom. Od tego czasu fizycy znajdują coraz to nowe dowody potwierdzające, że ciemna materia naprawdę istnieje, ale nie mogą wpaść na trop, który pozwoliłby ją zidentyfikować. Być może ten stan zmieni uruchomiona pod koniec ubiegłego roku zmodyfikowana wersja prowadzonego od lat eksperymentu XENON.

Według fizyków jednym z możliwych kandydatów do roli ciemnej materii są tzw. cząstki WIMP (weakly interacting massive particles) o masie z przedziału od 1 do 10 000 mas protonu, które oddziałują ze zwykłą materią jedynie w wyniku grawitacji i słabych sił jądrowych odpowiedzialnych za promieniotwórczość. Jednak na przestrzeni lat, kiedy kolejne eksperymenty nie owocowały odkryciami, początkowy entuzjazm przygasał. „Zaczynamy się zastanawiać, czy postawiliśmy na właściwego konia” – przyznaje Rafael Lang, fizyk z Purdue University, który od przeszło dekady pracuje w zespole eksperymentu XENON w INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso we Włoszech. Lang zapewnia jednak, że tym razem gotów jest postawić na cząstki WIMP, podkreślając, że w eksperymencie sfalsyfikowano wiele hipotez na temat natury WIMP, ale wciąż nie wszystkie. „Jeżeli dekadę temu z optymizmem patrzyliście na WIMP, to pamiętajcie, że na razie wykluczono zaledwie połowę kandydatów z tej kategorii – wyjaśnia Lang. – Reszta nadal jest w grze.”

Oczywiście, są i inni kandydaci do roli ciemnej materii. Wśród nich czołową pozycję zajmuje aksjon, znacznie lżejsza cząstka, która ostatnio dała początek całej kategorii cząstek „aksjonopodobnych”. Część naukowców uważa też, że cząstki ciemnej materii mogą być obiektami złożonymi z „ciemnych kwarków” i „ciemnych gluonów”, które razem tworzą „ciemne jądra”. Możliwe również, że ciemnej materii wcale nie tworzą cząstki. Jedna z hipotez przewiduje, że brakująca materia może być ukryta w pierwotnych czarnych dziurach, które powstały tuż po Wielkim Wybuchu.

W eksperymencie XENON w najnowszej wersji, nazwanej XENONnT, zbieranie danych rozpoczęto na początku tego roku. Fizycy liczą, że uda się zaobserwować niezmiernie rzadkie przypadki zderzeń cząstek ciemnej materii ze zwykłymi atomami. W tym przypadku funkcję tarczy pełnią atomy ksenonu, który skroplony w ilości 8,3 t wypełnia zbiornik ukryty na głębokości 1,6 km pod warstwą skał mających odizolować go od promieniowania kosmicznego i innych źródeł zakłóceń. Atomy ksenonu, zawierające po 54 protony i elektrony i jeszcze większą liczbę neutronów, stanowią dobrą, gęstą tarczę dla ciemnej materii. Skutkiem trafienia jakiejś egzotycznej cząstki w jądro ksenonu mogłaby być emisja elektronu lub nukleonu, który spowodowałby błysk rejestrowany przez fotopowielacze na górnej i dolnej podstawie zbiornika. W najnowszej wersji eksperymentu czterokrotnie zwiększono ilość ksenonu, co oznacza, że również prawdopodobieństwo zaobserwowania interesującego zdarzenia powinno być cztery razy większe.

Inne modyfikacje polegają na udoskonaleniu metody oczyszczania ksenonu, a także zainstalowaniu skuteczniejszych systemów detekcji promieniowania kosmicznego oraz rozpadów śladowych ilości izotopów promieniotwórczych obecnych w częściach składowych i obudowie układu eksperymentalnego. „Każda nakrętka i każda śruba użyta do budowy detektora została wykonana ręcznie ze starannie wyselekcjonowanych materiałów – wyjaśnia Lang. – Zwykłe elementy ze stali nierdzewnej, jakie można kupić w sklepie, są dla nas zbyt promieniotwórcze.”

U większości ludzi lata żmudnej pracy bez jakiejkolwiek nagrody w postaci odkrycia mogłyby wywołać rozczarowanie, ale fizycy widzą ten problem inaczej. „Jeżeli dokonywalibyśmy oceny, pytając tylko, czy odkryto ciemną materię, to rzeczywiście byłaby to porażka, ale w oczach naukowców to mimo wszystko niezwykle udany eksperyment” – wyjaśnia Dorota Grabowska, fizyczka teoretyczka z CERN, która nie uczestniczy w projekcie. Sukces polega na tym, że wiele hipotez na temat WIMP udało się już wykluczyć, a kolejne modyfikacje układu zwiększają precyzję pomiarów.

Obecnie poszukiwania cząstek WIMP zbliżają się do punktu przełomowego. W stosunkowo nieodległej przyszłości zostanie przebadana większość dostępnych dla nich modeli teoretycznych. Jeżeli WIMP nie zostaną odkryte, będzie to oznaczać, że albo nie istnieją, albo istnieją w postaci, która nie była brana pod uwagę. Ale badacze mogą wymyślić nowe modele albo metody poszukiwań. „Poszukiwaniom nowych metod identyfikacji, czym jest ciemna materia, towarzyszy ogromna doza zaangażowania i kreatywności” – podkreśla Tongyan Lin, fizyczka teoretyczka z University of California w San Diego. Jeden z pomysłów, którymi się zajmuje, polega na zastosowaniu kryształów. Struktury krystaliczne zbudowane na przykład z krzemu umożliwiają rejestrację oddziaływań z ciemną materią w zakresie niższych energii niż tradycyjne detektory.

„Ludzie najczęściej patrzą na naukę przez pryzmat Star Treka – wyjaśnia Tim Tait, fizyk teoretyk z University of California w Irvine. – Coś widzimy, sięgamy po trikoder i mamy odpowiedź. Ale rzeczywisty proces jest o wiele bardziej złożony: trzeba wypróbować wiele rozwiązań, aby znaleźć to, które zadziała. Wszystko, co wcześniej się nie sprawdziło, jest ważną częścią całego procesu”.