Cel mai important experiment de pe planetă. Cum încearcă oamenii de știință să descopere „materia intrunecată”

Cu un rezervor plin cu xenon îngropat la aproape doi km sub Dakota de Sud, am putea într-o zi să putem măsura ce este cu adevărat materia întunecată.

Fizicienii nu înțeleg pe deplin ce reprezintă aproximativ 83% din materia universului – ceva ce numim „materie întunecată”.

În modelul tipic, materia întunecată reprezintă cea mai mare parte a atracției gravitaționale din univers, oferind lipiciul care permite să se formeze structuri precum galaxiile, inclusiv propria noastră Cale Lactee. Pe măsură ce sistemul solar orbitează în jurul centrului Căii Lactee, Pământul se mișcă printr-un halou de materie întunecată, care constituie cea mai mare parte a materiei din galaxia noastră.

O presupunere populară este că materia întunecată este un nou tip de particule, particulele masive cu interacțiune slabă sau WIMP. „WIMP” captează destul de frumos esența particulei – are masă, adică interacționează gravitațional, dar altfel interacționează foarte slab – sau rar – cu materia normală. WIMP-urile din Calea Lactee zboară teoretic prin noi pe Pământ tot timpul, dar pentru că interacționează slab, pur și simplu nu lovesc nimic.

În ultimii 30 de ani, oamenii de știință au dezvoltat un program experimental pentru a încerca să detecteze interacțiunile rare dintre WIMP și atomii obișnuiți. Pe Pământ, totuși, suntem înconjurați în mod constant de niveluri scăzute și nepericuloase de radioactivitate provenite de la oligoelemente – în principal uraniu și toriu – din mediu, precum și de razele cosmice din spațiu. Scopul în căutarea materiei întunecate este de a construi un detector cât mai sensibil posibil, astfel încât să poată vedea materia întunecată și de a o plasa într-un loc cât mai liniștit posibil, astfel încât semnalul de materie întunecată să poată fi văzut peste radioactivitatea de fundal.

Cel mai mare detector

Cu rezultatele publicate în iulie 2023, colaborarea LUX-ZEPLIN, sau LZ, a făcut exact acest lucru, construind cel mai mare detector de materie întunecată de până acum și folosindu-l la 1.478 de metri sub pământ în Sanford Underground Research Facility din Lead, Dakota de Sud.

În centrul LZ se află 10.000 de kilograme de xenon lichid. Atunci când particulele trec prin detector, ele se pot ciocni cu atomii de xenon, ducând la un fulger de lumină și la eliberarea de electroni.

În LZ, două rețele electrice masive aplică un câmp electric peste volumul de lichid, care împinge acești electroni eliberați la suprafața lichidului. Când ating suprafața, sunt atrași în spațiul de deasupra lichidului, care este umplut cu gaz xenon, și accelerați de un alt câmp electric pentru a crea un al doilea fulger de lumină. Două rețele mari de senzori de lumină colectează aceste două fulgere de lumină și, împreună, permit cercetătorilor să reconstruiască poziția, energia și tipul de interacțiune care a avut loc.

Toate materialele de pe Pământ, inclusiv cele utilizate în construcția detectorului WIMP, emit anumite radiații care ar putea masca interacțiunile cu materia întunecată. Prin urmare, oamenii de știință construiesc detectoare de materie întunecată folosind cele mai „radiopure” materiale – adică lipsite de contaminanți radioactivi – pe care le pot găsi atât în interiorul, cât și în exteriorul detectorului.

De exemplu, lucrând cu turnătorii de metale, LZ a reușit să folosească cel mai curat titan de pe Pământ pentru a construi cilindrul central – sau criostatul – care deține xenonul lichid. Utilizarea acestui titan special reduce radioactivitatea în LZ, creând un spațiu liber pentru a vedea orice interacțiuni cu materia întunecată.

Vânătoarea continuă

Toate aceste obiecte, inclusiv detectorul central, criostatul și detectorul exterior, trăiesc într-un rezervor mare de apă la aproape doi km sub pământ. Rezervorul de apă protejează detectoarele de peșteră, iar mediul subteran protejează rezervorul de apă de razele cosmice sau de particulele încărcate care lovesc constant atmosfera Pământului.

În rezultatul tocmai publicat, folosind 60 de zile de date, LZ a înregistrat aproximativ cinci evenimente pe zi în detector. Este cu aproximativ un trilion de evenimente mai puține decât le-ar înregistra un detector obișnuit de particule de la suprafață într-o zi. Privind caracteristicile acestor evenimente, cercetătorii pot spune cu siguranță că nicio interacțiune nu a fost cauzată până acum de materia întunecată. Rezultatul este, din păcate, nu o descoperire a unei noi fizici – dar putem stabili limite exacte despre cât de slab trebuie să interacționeze materia întunecată, deoarece rămâne nevăzută de LZ.

Aceste limite ajută să le spună fizicienilor ce nu este materia întunecată – iar LZ face asta mai bine decât orice experiment din lume. Între timp, există speranță pentru ceea ce urmează în căutarea materiei întunecate.