Γιατί το καλύτερο μέρος για να βρείτε τη σκοτεινή ύλη μπορεί να είναι σε έναν βράχο

Σε σχεδόν δύο δωδεκάδες υπόγεια εργαστήρια διάσπαρτα σε όλη τη γη, χρησιμοποιώντας δεξαμενές υγρού ή μπλοκ από μέταλλο και ημιαγωγούς, οι επιστήμονες αναζητούν στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη. Τα πειράματά τους γίνονται πιο περίπλοκα και η αναζήτηση γίνεται πιο ακριβής, ωστόσο, εκτός από ένα πολύ αμφισβητούμενο σήμα που προέρχεται από ένα εργαστήριο στην Ιταλία, κανείς δεν έχει βρει άμεσες αποδείξεις για το μυστηριώδες υλικό που θεωρείται ότι αποτελεί το 84 τοις εκατό της ύλης στο σύμπαν.

Μια νέα μελέτη προτείνει ότι πρέπει να κοιτάξουμε βαθύτερα.

Η σκοτεινή ύλη είναι διαφορετική από την κανονική, βαρυονική ύλη - το υλικό που δημιουργεί αστέρια, γαλαξίες, σκύλους, ανθρώπους και οτιδήποτε άλλο - στο ότι δεν αλληλεπιδρά με τίποτα εκτός από τη βαρύτητα (και ίσως την ασθενή πυρηνική δύναμη). Δεν μπορούμε να το δούμε, ωστόσο οι φυσικοί είναι σχεδόν βέβαιοι ότι είναι εκεί, σμιλεύοντας γαλαξίες και τα μονοπάτια τους μέσα στο σύμπαν.

Για πολλές δεκαετίες, οι ευνοημένοι υποψήφιοι για τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης ήταν υποθετικά ντροπαλά πράγματα που ονομάζονται ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια ή WIMP. Πολλά πειράματα τα αναζητούν αναζητώντας αποδείξεις ότι ένα WIMP έχει έρθει και χτύπησε την κανονική ύλη. Σε αυτό το σενάριο, ένα WIMP θα χτυπούσε έναν ατομικό πυρήνα μέσω της ασθενούς δύναμης. Ο τρομαγμένος πυρήνας στη συνέχεια θα οπισθοχωρούσε και θα εξέπεμπε κάποια μορφή ενέργειας, όπως μια λάμψη φωτός ή ένα ηχητικό κύμα. Η ανίχνευση τέτοιων μόλις αντιληπτών φαινομένων απαιτεί ευαίσθητα όργανα, συνήθως θαμμένα βαθιά κάτω από τη γη. Αυτό συμβαίνει κυρίως έτσι ώστε τα όργανα να προστατεύονται από τις άστατες κοσμικές ακτίνες, οι οποίες μπορούν επίσης να προκαλέσουν ανάκρουση πυρήνων.

Μετά από αναζήτηση αυτών των αχνών πινγκ για δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν ελάχιστα σκληρά στοιχεία για να το δείξουν. Τώρα μια ομάδα φυσικών στην Πολωνία, τη Σουηδία και τις ΗΠΑ έχει μια άλλη ιδέα. Μην κοιτάτε το γερμάνιο και το ξένο και τους σπινθηριστές στους ανιχνευτές που είναι θαμμένοι κάτω από τον φλοιό της γης, υποστηρίζουν:Κοιτάξτε τον ίδιο τον φλοιό του πλανήτη. Στο αρχείο βράχου, όπου βρίσκονταν θαμμένες ιστορίες του παρελθόντος του ηλιακού μας συστήματος, μπορεί να βρούμε την απολιθωμένη ανάκρουση των τρομαγμένων ατομικών πυρήνων, τα παγωμένα ίχνη ενός WIMP.

«Πάντα αναζητούμε εναλλακτικούς τρόπους για να κάνουμε πράγματα», είπε η Katherine Freese, θεωρητική φυσική στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και αρχιτέκτονας των ιδεών πίσω από ορισμένους από τους υπάρχοντες ανιχνευτές που λειτουργούν.

Ένας υπόγειος παλαιο-ανιχνευτής θα λειτουργούσε με τρόπο παρόμοιο με τις τρέχουσες μεθόδους άμεσης ανίχνευσης, σύμφωνα με τη Freese και τους συνεργάτες της. Αντί να εξοπλίσουν ένα εργαστήριο με μεγάλο όγκο υγρού ή μετάλλου για να παρατηρήσουν τις ανάκρουση WIMP σε πραγματικό χρόνο, θα αναζητούσαν απολιθωμένα ίχνη WIMP που χτυπούν σε ατομικούς πυρήνες. Καθώς οι πυρήνες υποχωρούν, θα άφηναν ίχνη ζημιάς σε ορισμένες κατηγορίες ορυκτών.

Εάν ο πυρήνας υποχωρήσει με αρκετό σθένος και εάν τα άτομα που διαταράσσονται στη συνέχεια θαφτούν βαθιά στη γη (για να προστατεύσουν το δείγμα από τις κοσμικές ακτίνες που μπορούν να θολώσουν τα δεδομένα), τότε η διαδρομή ανάκρουσης θα μπορούσε να διατηρηθεί. Αν ναι, οι ερευνητές μπορεί να είναι σε θέση να σκάψουν τον βράχο, να αφαιρέσουν στρώματα χρόνου και να εξερευνήσουν το γεγονός πριν από πολύ καιρό χρησιμοποιώντας εξελιγμένες τεχνικές νανο-απεικόνισης, όπως η μικροσκοπία ατομικής δύναμης. Το τελικό αποτέλεσμα θα ήταν ένα απολιθωμένο ίχνος:το αντίστοιχο της σκοτεινής ύλης για την εύρεση του αποτυπώματος ενός σαυρόποδου καθώς έφευγε από ένα αρπακτικό.

Μικροσκοπικά πατήματα

Πριν από περίπου πέντε χρόνια, ο Freese άρχισε να πετάει ιδέες για νέους τύπους ανιχνευτών με τον Andrzej Drukier, έναν φυσικό τώρα στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης που ξεκίνησε την καριέρα του μελετώντας την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης πριν στραφεί στη βιοφυσική. Μία από τις ιδέες τους, που επινοήθηκε μαζί με τον βιολόγο Τζορτζ Τσερτς, περιελάμβανε ανιχνευτές σκοτεινής ύλης βασισμένους σε αντιδράσεις DNA και ενζύμων.

Το 2015 ο Drukier ταξίδεψε στο Νοβοσιμπίρσκ της Ρωσίας για να εργαστεί σε έναν πρωτότυπο βιολογικό ανιχνευτή που θα στεγαζόταν κάτω από την επιφάνεια της γης. Στη Ρωσία, έμαθε για γεωτρήσεις που είχαν ανοίξει κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου, μερικές από τις οποίες φτάνουν τα 12 χιλιόμετρα κάτω. Καμία κοσμική ακτίνα δεν μπορεί να διεισδύσει τόσο μακριά. Ο Drukier κίνησε το ενδιαφέρον.

Οι τυπικοί ανιχνευτές σκοτεινής ύλης είναι σχετικά μεγάλοι και πολύ ευαίσθητοι σε ξαφνικά γεγονότα. Διεξάγουν τις αναζητήσεις τους για αρκετά χρόνια, αλλά ως επί το πλείστον αναζητούν βρύσες WIMP σε πραγματικό χρόνο. Τα ορυκτά, αν και είναι σχετικά μικρά και λιγότερο ευαίσθητα στις αλληλεπιδράσεις WIMP, θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύουν μια αναζήτηση που συνεχίζεται για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια.

«Αυτά τα κομμάτια βράχου, που αφαιρέθηκαν από τους πολύ, πολύ βαθείς πυρήνες, είναι στην πραγματικότητα ένα δισεκατομμύριο ετών», είπε ο Drukier. «Όσο βαθύτερα πας, τόσο μεγαλύτερο είναι. Έτσι ξαφνικά δεν χρειάζεται να φτιάξετε έναν ανιχνευτή. Έχετε έναν ανιχνευτή, στο έδαφος."

Η γη θέτει τα δικά της προβλήματα. Ο πλανήτης είναι γεμάτος ραδιενεργό ουράνιο, το οποίο παράγει νετρόνια καθώς διασπάται. Αυτά τα νετρόνια μπορούν επίσης να χτυπήσουν πυρήνες γύρω. Ο Freese είπε ότι το αρχικό έγγραφο της ομάδας που περιγράφει τους παλαιοανιχνευτές δεν έλαβε υπόψη τον θόρυβο που συνέβαλε η διάσπαση του ουρανίου, αλλά μια σειρά από σχόλια από άλλους ενδιαφερόμενους επιστήμονες τους έκανε να επιστρέψουν και να αναθεωρήσουν. Η ομάδα πέρασε δύο μήνες μελετώντας χιλιάδες ορυκτά για να καταλάβει ποια είναι απομονωμένα από τη διάσπαση του ουρανίου. Υποστηρίζουν ότι οι καλύτεροι παλαιο-ανιχνευτές θα αποτελούνταν από θαλάσσιους εξατμιστές - βασικά, αλάτι - ή σε πετρώματα που περιέχουν πολύ λίγο πυρίτιο, τα οποία ονομάζονται υπερβασικά πετρώματα. Επιπλέον, αναζητούν ορυκτά που έχουν πολύ υδρογόνο, καθώς το υδρογόνο εμποδίζει αποτελεσματικά τα νετρόνια που προέρχονται από τη διάσπαση του ουρανίου.

Η αναζήτηση για απολιθώματα ανάκρουσης μπορεί να είναι ένας καλός τρόπος για να αναζητήσετε WIMP χαμηλής μάζας, είπε η Tracy Slatyer, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης που δεν συμμετείχε στην έρευνα.

«Ψάχνετε για έναν πυρήνα που πηδάει χωρίς φαινομενικά κανένα λόγο, αλλά πρέπει να πηδήξει κατά ένα ορισμένο ποσό για να τον δείτε. Αν αναπηδήσω μια μπάλα του πινγκ πονγκ από μια μπάλα μπόουλινγκ, δεν θα δούμε την μπάλα του μπόουλινγκ να κινείται πολύ — ή καλύτερα να μπορείτε να εντοπίσετε πολύ μικρές αλλαγές στην κίνηση της μπάλας του μπόουλινγκ», είπε. . "Αυτός είναι ένας νέος τρόπος για να γίνει αυτό."

Το πιο δύσκολο πείραμα

Η έρευνα πεδίου δεν θα ήταν εύκολη. Η έρευνα θα έπρεπε να γίνει βαθιά υπόγεια, όπου τα δείγματα του πυρήνα θα προστατεύονται από την κοσμική και την ηλιακή ακτινοβολία. Και θα απαιτηθεί νανο-απεικόνιση τελευταίας τεχνολογίας για την επίλυση ενδείξεων ώθησης πυρήνων.

Ακόμα κι αν τα WIMP αφήνουν μια παρατηρήσιμη ουλή, το κύριο μέλημα των παλαιο-ανιχνευτών θα είναι να διασφαλίσουν ότι τα απολιθώματα προέρχονται πραγματικά από σωματίδια σκοτεινής ύλης, είπε ο Slatyer. Οι ερευνητές θα πρέπει να αφιερώσουν πολύ χρόνο για να πείσουν τους εαυτούς τους ότι η ανάκρουση δεν είναι έργο νετρονίων, νετρίνων από τον ήλιο ή κάτι άλλο, είπε.

«Θεωρούν ότι μπορείτε να πάτε πολύ βαθιά για να προστατευτείτε από τις κοσμικές ακτίνες», είπε, «αλλά αυτό δεν είναι ένα ελεγχόμενο σύστημα. Αυτό δεν είναι εργαστήριο. Μπορεί να μην γνωρίζετε πολύ καλά την ιστορία αυτών των κοιτασμάτων βράχου. Ακόμα κι αν διεκδικούσατε ένα σήμα από αυτό, θα έπρεπε να κάνετε πολύ περισσότερη δουλειά για να είστε πραγματικά πεπεισμένοι ότι δεν βλέπατε κάποιο είδος φόντου."

Ο Drukier και ο Freese είπαν και οι δύο ότι η ισχύς των παλαιοανιχνευτών μπορεί να βρίσκεται σε αριθμούς. Ένας βράχος περιέχει πλήθος ορυκτών, το καθένα με ατομικούς πυρήνες που θα οπισθοχωρούσαν από ένα επιδρομικό WIMP με διαφορετικούς τρόπους. Διαφορετικά στοιχεία θα χρησιμεύουν επομένως ως διαφορετικοί ανιχνευτές, όλοι τυλιγμένοι σε ένα δείγμα πυρήνα. Αυτό θα επέτρεπε στους πειραματιστές να δουν ένα φάσμα από ανάκρουση, επιβεβαιώνοντας τα στοιχεία τους και ενδεχομένως επιτρέποντάς τους να βγάλουν συμπεράσματα σχετικά με τη μάζα WIMP, είπε ο Freese. Στο μέλλον, ένας παλαιο-ανιχνευτής θα μπορούσε ακόμη και να παρέχει ένα αρχείο WIMP μέσα στο χρόνο, όπως το αρχείο απολιθωμάτων επιτρέπει στους παλαιοντολόγους να ανασυνθέσουν την ιστορία της ζωής στη Γη.

Στον Σλάιερ, το μακρύ ρεκόρ θα μπορούσε να προσφέρει μια μοναδική ανίχνευση του φωτοστέφανου της σκοτεινής ύλης του Γαλαξία μας, του νέφους αόρατου υλικού μέσα από το οποίο η Γη κολυμπά καθώς το ηλιακό σύστημα κάνει την τροχιά του 250 εκατομμυρίων ετών γύρω από το κέντρο του γαλαξία. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο κατανέμεται το φωτοστέφανο της σκοτεινής ύλης του Γαλαξία μας θα μπορούσε να δώσει πληροφορίες για τη φυσική του συμπεριφορά, είπε ο Σλάιερ. Θα μπορούσε ακόμη και να δείξει εάν η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με τον εαυτό της με τρόπους που υπερβαίνουν τη βαρύτητα.

"Αυτό είναι ένα μέρος όπου η θεωρία και η μοντελοποίηση βρίσκονται ακόμα σε πολύ ενεργή ανάπτυξη", είπε.

Ωστόσο, αυτό απέχει πολύ από την πραγματικότητα. Οι Freese και Drukier λένε ότι ένας παλαιο-ανιχνευτής απόδειξης αρχής θα πρέπει πρώτα να αποδείξει ότι μπορεί να βρει ίχνη ανάκρουσης που αφήνουν γνωστά σωματίδια όπως τα ηλιακά νετρίνα. Στη συνέχεια, πρέπει να αποδείξουν ότι μπορούν να απομονώσουν μονοπάτια WIMP από αυτές τις συνηθισμένες ανάκρουση.

«Είναι μια σημαντική αλλαγή προοπτικής», είπε ο Drukier. «Θα βρούμε τη σκοτεινή ύλη; Έχω περάσει 35 χρόνια αναζητώντας το. Αυτό είναι ίσως το πιο δύσκολο πείραμα στον κόσμο, οπότε μπορεί να μην είμαστε τυχεροί. Αλλά είναι ωραίο."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  Wired.com .