Astronomer vet inte vad mörk materia är, men de vet att det tar upp cirka 25% av universum. En kraftfull detektor, djupt under jord i en mineshaft i Minnesota, kanske kan komma till botten av mysteriet. Projektet Cryogenic Dark Matter Search II kommer att försöka upptäcka svagt samverkande massiva partiklar (aka WIMPS). Dessa teoretiska partiklar interagerar normalt inte med materien, men en och annan sällsynt kollision kan vara upptäckbar.
"Det är svårare och svårare att komma ifrån att det finns ett ämne där ute som utgör det mesta av universum som vi inte kan se," säger Cabrera. "Stjärnorna och galaxerna själva är som julgranljus på detta enorma fartyg som är mörkt och varken absorberar eller avger ljus."
Begravd djupt under jord i en mineshaft i Minnesota ligger Cabreras projekt, kallat Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). University of California-Berkeley fysiker Bernard Sadoulet fungerar som talesman för ansträngningen. Fermilabs Dan Bauer är dess projektledare och Dan Akerib från Case Western Reserve University är vice projektledare. Ett team med 46 forskare vid 13 institutioner samarbetar om projektet.
Att fånga en WIMP
Experimentet är det mest känsliga i världen som syftar till att upptäcka exotiska partiklar som kallas WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), som är en av forskarnas bästa gissningar på vad som utgör mörk materia. Andra alternativ inkluderar neutrino, teoretiserade partiklar som kallas axioner eller till och med normal materia som svarta hål och bruna dvärgstjärnor som bara är för svaga att se.
WIMPS tros vara neutralt i laddning och väger mer än 100 gånger massan på en proton. Just nu finns dessa elementära partiklar endast i teorin och har aldrig observerats. Forskare tror att de inte hittat dem ännu eftersom de är oerhört svåra att fånga. WIMPS interagerar inte med det mesta ämnet - de blyga partiklarna passerar rakt igenom våra kroppar - men CDMS II syftar till att fånga dem i en sällsynt kollision med atomerna i projektets specialtillverkade detektorer.
"Dessa partiklar passerar oftast genom jorden utan spridning," säger Cabrera. "Det enda skälet till att vi till och med har en chans att se händelser är att [det finns] så många av partiklarna att mycket sällan kommer [in i detektorn] och sprids."
Detektorerna är gömda under jordskikt i Soudan-gruvan i Minnesota för att skydda dem från kosmiska strålar och andra partiklar som kan kollidera med detektorerna och misstas för mörk materia. I själva verket är halva striden för forskarna som arbetar med CDMS II att skydda sina instrument så mycket som möjligt från allt annat än WIMPS och att utveckla utarbetade system för att berätta skillnaden mellan mörk materia och mer jordiska partiklar.
"Vår detektor är den här hockeypuckformade saken som måste leva på 50 tusendels gradsexamen över absolut noll," säger Walter Ogburn, en doktorand vid Stanford som arbetar med projektet. "Det är svårt att göra saker så kalla."
För detta ändamål är instrumenten inbäddade i en kapsel som kallas en isbox, fodrad med sex lager isolering, från rumstemperatur på utsidan till kallaste på insidan. Detta håller detektorerna så kalla att även atomer inte kan skaka.
Detektorerna är gjorda av kristaller av fast kisel och fast germanium. Kisel- eller germaniumatomerna sitter stilla i ett perfekt gitter. Om WIMPS kraschar in i dem kommer de att vrida och avge små paket värme som kallas fononer. När fononer höjer sig till detektorns yta, skapar de en förändring i ett mycket känsligt lager av volfram, som forskarna kan spela in. En andra krets på andra sidan av detektorn mäter joner, laddade partiklar som skulle frigöras från en kollision av en WIMP och en atom i detektorn.
"De två kanalerna låter oss skilja mellan olika typer av interaktioner," säger Ogburn. "Vissa saker gör mer jonisering och andra gör mindre, så du kan se skillnaden på det sättet."
Det krävs en grupp forskare vid flera anläggningar för att bygga detektorerna. Teamet köper kristallerna från ett externt företag, och forskare vid Stanfords Center for Integrated Systems tillverkar mätinstrument på detektorernas ytor. "Vi använder samma saker för att göra dessa som människor använder för att göra mikroprocessorer eftersom de också är superfina", säger Matt Pyle, en annan forskarstuderande i Cabreras labb.
Klumpar av ledtrådar
En delmängd av WIMPS, kallad neutralinos, är de lättaste partiklarna som förväntas av supersymmetri, en teori som förutsäger en kompis för varje partikel som vi redan har observerat. Om CDMS II lyckas hitta neutralinos, skulle detta vara det första beviset för supersymmetri. "Supersymmetry antyder att det finns en helt annan sektor där ute av partiklar som är partner till våra befintliga partiklar," säger Cabrera. ”Det finns många sätt på vilket supersymmetri ser mycket troligt ut. Men det finns inga direkta bevis ännu för något matchande [supersymmetriskt] partikelpar. ”
De svaga interaktionerna med WIMPS är därför, även om mörka materialpartiklar har massa och följer tyngdelagarna, klumpar de inte in i galaxer och stjärnor som normal materia. För att klumpa sig måste partiklar krascha och hålla sig ihop. Men WIMPS oftast skulle flyga precis vid varandra. Dessutom, eftersom WIMPS är neutrala, bildar de inte atomer, vilket kräver attraktion av positivt laddade protoner till negativt laddade elektroner.
"Mörk materia genomsyrar allt," säger Cabrera. "Det kollapsade aldrig som atomer gjorde."
Eftersom mörk materia aldrig bildade stjärnor och andra välkända himmelska föremål, visste forskare under lång tid aldrig att det fanns där. Den tidigaste indikationen på dess existens kom på 1930-talet när Fritz Zwicky, en schweizisk-amerikansk astronom, observerade kluster av galaxer. Han sammanfogade galaxmassorna och märkte att det inte fanns tillräckligt med massa för att redovisa den allvar som måste finnas för att hålla klusterna ihop. Något annat måste tillhandahålla den saknade massan, drar han.
Senare på 1970-talet mätte Vera Rubin, en amerikansk astronom, hastigheterna för stjärnor i Vintergatan och andra närliggande galaxer. När hon tittade längre ut mot kanterna på dessa galaxer, fann hon att stjärnorna inte roterar långsammare som forskarna förväntade sig. "Det gav ingen mening", säger Cabrera. "Det enda sättet du kunde förstå det är om det fanns mycket mer massa där än vad du såg i stjärnljuset."
Under åren har fler och fler bevis för mörk materia tagit sig upp. Även om forskare ännu inte vet vad det är, har de en bättre uppfattning om var det är och hur mycket av det som borde vara. "Det finns väldigt lite vridrum kvar för att ha olika mängder," säger Cabrera.
"Vi har inte sett någonting som ser ut som en intressant signal hittills," säger han. Men CDMS II-forskarna fortsätter sökningen. Så gör också andra grupper. ZEPLIN, ett experiment som drivs av fysiker vid University of California-Los Angeles och United Kingdom Dark Matter Collaboration, syftar till att fånga WIMP: er i flytande xenonfat i en gruva nära Sheffield, England. Och på South Pole är ett projekt från University of Wisconsin-Madison under namnet IceCube under uppbyggnad som kommer att använda optiska sensorer begravda djupt i isen för att leta efter neutrinoer, högenergipartiklar som är signaturer av WIMP-förintelser.
Under tiden fortsätter CDMS II att utvecklas. Forskarna bygger större och större detektorer för att öka sina chanser att hitta WIMPS. I framtiden hoppas teamet att bygga en 1-ton detektor som borde kunna upptäcka många av de mest troliga typerna av WIMPS, om de finns. "Vi tar data nu med mer än dubbelt så mycket målmassa för germanium än vi hade tidigare, så vi undersöker definitivt nytt territorium just nu", säger Ogburn. "Men det finns mycket mer att täcka."
Originalkälla: Stanford News Release
