Ta ilustracja przedstawia cząstkę ciemnej materii. Naukowcy z Oak Ridge National Laboratory podjęli próbę obserwacji tych nieuchwytnych cząstek za pomocą swoich detektorów neutrin w Neutrino Alley.

Naukowcy z Oak Ridge National Laboratory podjęli próbę obserwacji ciemnej materii w jasno oświetlonym korytarzu w piwnicy, wykorzystując czułość swoich detektorów neutrin. Aleja Neutrino, w której pracuje zespół, znajduje się pod Spalacyjnym Źródłem Neutronów, potężnym akceleratorem cząstek. Po latach obliczeń teoretycznych zespół COHERENT postanowił obserwować ciemną materię, która, jak się uważa, stanowi do 85% masy Wszechświata. Eksperyment pozwolił zespołowi rozszerzyć światowe poszukiwania ciemnej materii w nowy sposób i planują otrzymać znacznie większy i bardziej czuły detektor, aby zwiększyć swoje szanse na wyłapanie cząstek ciemnej materii.

Niewiele rzeczy ma taką samą aurę tajemniczości jak ciemna materia. Sama nazwa emanuje tajemniczością, sugerując coś ukrytego w cieniu Wszechświata.

Wspólny zespół naukowców o nazwie COHERENT, w skład którego wchodzili Kate Scholberg, wybitny profesor fizyki Arts & Sciences, Phillip Barbeau, profesor nadzwyczajny fizyki oraz doktor habilitowany Daniel Pershey, podjął próbę wydobycia ciemnej materii z cienia Wszechświata i wprowadzenia jej do nieco mniej efektowne miejsce: jasno oświetlony, wąski korytarz w piwnicy.

Jednak nie jest to zwykła piwnica. Pracując w obszarze Oak Ridge National Laboratory, zwanym Neutrino Alley, zespół zwykle koncentruje się na cząstkach subatomowych zwanych neutrinami. Powstają, gdy gwiazdy umierają i stają się supernowymi lub, na bardziej przyziemnym poziomie, jako produkt uboczny zderzeń protonów w akceleratorach cząstek.

Ciemna materia, niewidzialna materia, która stanowi 85% materii Wszechświata, nie jest po prostu ukryta między galaktykami. Zespół naukowców próbuje wyciągnąć go z cienia. Źródło: zdjęcie rentgenowskie: NASA/CXO/Fabian et al.; Radio: Gendron-Marsolais i in.; NRAO/AUI/NSF Optyka: NASA, SDSS

Nieprzypadkowo Neutrino Alley znajduje się bezpośrednio pod jednym z najpotężniejszych akceleratorów cząstek na świecie, Spallation Neutron Source (SNS) w Oak Ridge. Neutrino Alley zawiera kolekcję detektorów zaprojektowanych specjalnie do obserwacji neutrin, gdy przechodzą przez nie i zderzają się z nimi.

Neutrina nie są jednak jedynym produktem ubocznym działań SNS. Ciemna materia (nie mylić z antymaterią ulubionego złoczyńcy z filmu) jest również wytwarzana, gdy akceleratory cząstek zderzają ze sobą protony. Po latach obliczeń teoretycznych zespół COHERENT postanowił wykorzystać zarówno moc SNS, jak i czułość swoich detektorów neutrin, aby obserwować ciemną materię w Neutrino Alley.

„A my tego nie widzieliśmy” — mówi Scholberg. „Oczywiście, gdybyśmy to zobaczyli, byłoby to bardziej ekscytujące, ale nie zobaczenie tego to naprawdę wielka sprawa”.

Wyjaśnia, że ​​fakt, że ciemna materia nie została zaobserwowana przez ich detektory neutrin, pozwala im znacznie udoskonalić teoretyczne modele tego, jak wygląda ciemna materia.

„Dokładnie wiemy, jak detektor zareagowałby na ciemną materię, gdyby ciemna materia miała pewne cechy, więc szukaliśmy tego konkretnego odcisku palca”.

Kate Scholberg, współautor Grayson Rich i Philip Barbeau. Źródło: Long Li / Duke University

Omawiany odcisk palca to sposób, w jaki jądra atomów w detektorze neutrin odbijają się po uderzeniu przez neutrino lub w tym przypadku cząstkę ciemnej materii.

„To jak rzucanie pociskami w kulę do kręgli na tafli lodu” — powiedział Pershey. Kule do kręgli, w jego analogii, to atomy zawarte w detektorze neutrin — którym w tym eksperymencie był kryształ jodku cezu o masie 14,6 kg. „Możesz wiele powiedzieć o pocisku i sile, z jaką został rzucony, na podstawie tego, jak bardzo kula do kręgli odbija się po zetknięciu”.

Jeśli chodzi o ciemną materię, każda informacja jest dobrą informacją. Nikt tak naprawdę nie wie, co to jest. Prawie 100 lat temu fizycy zdali sobie sprawę, że Wszechświat nie mógłby zachowywać się tak, jak się zachowywał, gdyby zawierał tylko to, co widzimy.

„Unosimy się w morzu ciemnej materii” – powiedział Jason Newby, lider grupy badań nad neutrinami w Oak Ridge National Lab i współautor badania. Fizycy są zgodni co do tego, że ciemna materia stanowi do 85% masy Wszechświata. Musi podlegać grawitacji, aby wyjaśnić zachowanie Wszechświata, ale nie oddziałuje z żadnym rodzajem światła ani fali elektromagnetycznej, wydaje się ciemny.

Jason Newby i współautor Yuri Efremenko trzymają niezwykle mały detektor neutrin jodku cezu o masie 14,6 kg, używany do poszukiwania ciemnej materii w Neutrino Alley. Źródło: Genevieve Martin/Oak Ridge National Laboratory, Departament Energii Stanów Zjednoczonych

„Dowiedzieliśmy się o tym, patrząc na duże galaktyki obracające się wokół siebie, widząc, że obracają się znacznie szybciej niż powinny, co sugeruje, że mają większą masę niż się wydaje” – powiedział Pershey. „Wiemy więc, że istnieją dodatkowe rzeczy, musimy tylko dowiedzieć się, gdzie ich szukać”.

„Chociaż jesteśmy w sferze prawie żadnych wyników”, powiedział Newby, „naprawdę ważne jest, aby wszędzie, gdzie możesz spojrzeć, rozejrzyj się, a następnie możesz wykluczyć całą liczbę możliwości i skupić się na nowym obszarze ze strategią zamiast po prostu stosować podejście „spaghetti na ścianie”.

Daniela Persheya. Źródło: Duke University

„Poszerzamy nasz zasięg w zakresie tego, jakie modele ciemnej materii mogą istnieć, i to jest bardzo potężne” – powiedział Scholberg.

Zaznacza, że ​​osiągnięcie nie kończy się na tym: eksperyment pozwolił również zespołowi rozszerzyć światowe poszukiwania ciemnej materii w nowy sposób.

„Typowa technologia wykrywania polega na zejściu pod ziemię, zbudowaniu bardzo czułego detektora i czekaniu, aż te cząstki ciemnej materii po prostu przejdą” – powiedział Pershey.

Problem? Cząsteczki ciemnej materii mogą podróżować dość spokojnie w powietrzu. Jeśli są one również bardzo lekkie, mogą nie dotrzeć do detektora z wystarczającą energią, aby utworzyć wykrywalny odcisk palca.

Eksperymentalna konfiguracja zespołu COHERENT rozwiązuje ten problem.

„Kiedy idziesz do akceleratora, wytwarzasz te cząstki przy znacznie wyższych energiach” – powiedział Pershey. „A to daje im znacznie więcej oomph wbić w jądra i sprawić, że pojawi się sygnał ciemnej materii”.

Co teraz? To nie jest powrót do deski kreślarskiej. Neutrino Alley przygotowuje się obecnie do odbioru znacznie większego i bardziej czułego detektora, co w połączeniu z dopracowanymi parametrami wyszukiwania COHERENT znacznie zwiększy szanse na złapanie jednej z tych diabelskich cząstek.

„Jesteśmy na progu miejsca, w którym powinna znajdować się ciemna materia” – powiedział Pershey.

Odniesienie: „First Probe of Sub-GeV Dark Matter Beyond the Cosmological Expectation with the COHERENT CsI Detector at the SNS”, D. Akimov et al., 3 lutego 2023 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803