Astronomer ved ikke, hvad mørk stof er, men de ved, at det tager cirka 25% af universet. En kraftig detektor dybt under jorden i en mineshaft i Minnesota kan muligvis komme til bunden af mysteriet. Projektet Cryogenic Dark Matter Search II vil forsøge at opdage svage interaktive massive partikler (også kaldet WIMPS). Disse teoretiske partikler interagerer normalt ikke med stof, men den lejlighedsvis sjældne kollision kan muligvis påvises.
”Det er sværere og sværere at komme væk fra det faktum, at der er et stof derude, der udgør det meste af universet, som vi ikke kan se,” siger Cabrera. ”Stjernerne og galakserne i sig selv er som juletrælys på dette enorme skib, der er mørkt og hverken absorberer eller udsender lys.”
Begravet dybt under jorden i en mineshaft i Minnesota ligger Cabreras projekt, kaldet Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). University of California-Berkeley fysiker Bernard Sadoulet fungerer som talsmand for indsatsen. Fermilabs Dan Bauer er dens projektleder, og Dan Akerib fra Case Western Reserve University er stedfortræder projektleder. Et team på 46 forskere ved 13 institutioner samarbejder om projektet.
At fange en WIMP
Eksperimentet er det mest følsomme i verden med det formål at påvise eksotiske partikler kaldet WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), som er en af forskernes bedste gætter på, hvad der udgør mørkt stof. Andre muligheder inkluderer neutrinoer, teoretiserede partikler kaldet aksioner eller endda normal stof som sorte huller og brune dværgstjerner, der bare er for svage til at se.
WIMPS menes at være neutral i ladning og vejer mere end 100 gange massen af en proton. I øjeblikket findes disse elementære partikler kun i teori og er aldrig blevet observeret. Forskere mener, at de ikke har fundet dem endnu, fordi de er uhyggeligt vanskelige at fange. WIMPS interagerer ikke med det meste stof - de genert partikler passerer gennem vores kroppe - men CDMS II sigter mod at fange dem i en sjælden kollision med atomerne i projektets specialfremstillede detektorer.
”Disse partikler passerer for det meste gennem Jorden uden spredning,” siger Cabrera. "Den eneste grund til, at vi endda har en chance for at se begivenheder, er fordi [der er] så mange af partiklerne, at meget sjældent vil man komme [ind i detektoren] og sprede."
Detektorerne er skjult under jordbund i Soudan-minen i Minnesota for at beskytte dem mod kosmiske stråler og andre partikler, der kan kollidere med detektorerne og forveksles med mørkt stof. Faktisk er halvdelen af kampen for forskerne, der arbejder med CDMS II, at afskærme deres instrumenter så meget som muligt mod alt undtagen WIMPS og at udvikle detaljerede systemer til at fortælle forskellen mellem mørkt stof og mere jordiske partikler.
”Vores detektor er denne hockey-puck-formede ting, der skal leve i 50 tusindedele af en grad over absolut nul,” siger Walter Ogburn, en kandidatstuderende ved Stanford, der arbejder med projektet. ”Det er svært at gøre ting så koldt.”
Med henblik herpå ligger instrumenterne i en dåse kaldet en isboks, foret med seks lag isolering, fra stuetemperatur på ydersiden til koldest på indersiden. Dette holder detektorerne så kolde, at selv atomer ikke kan ryste.
Detektorerne er lavet af krystaller af fast silicium og fast germanium. Silicium- eller germaniumatomer sidder stille i et perfekt gitter. Hvis WIMPS går ned i dem, vil de vingle og afgive små pakker varme kaldet fononer. Når fononer stiger op til overfladen af detektorerne, skaber de en ændring i et meget følsomt lag wolfram, som forskerne kan registrere. Et andet kredsløb på den anden side af detektoren måler ioner, ladede partikler, der ville blive frigivet fra en kollision af en WIMP og et atom i detektoren.
”Disse to kanaler lader os skelne mellem forskellige former for interaktion,” siger Ogburn. "Nogle ting gør mere ionisering, og nogle ting gør mindre, så du kan se forskellen på den måde."
Det tager en gruppe forskere ved flere faciliteter at bygge detektorerne. Holdet køber krystaller fra et eksternt firma, og forskere ved Stanfords Center for Integrated Systems fremstiller måleinstrumenter på detektorernes overflader. ”Vi bruger de samme ting til at gøre disse, som folk bruger til at fremstille mikroprocessorer, fordi de også er super bittesmå,” siger Matt Pyle, en anden kandidatstuderende i Cabrera's lab.
Klumper af spor
En undergruppe af WIMPS, kaldet neutralino, er de letteste partikler, der forventes af supersymmetri, en teori, der forudsiger en kompis for hver partikel, vi allerede har observeret. Hvis CDMS II har succes med at finde neutralinoer, ville dette være det første bevis for supersymmetri. ”Supersymmetry antyder, at der er en helt anden sektor derude af partikler, der er partnere til vores eksisterende partikler,” siger Cabrera. ”Der er mange måder, hvorpå supersymmetri ser meget sandsynlig ud. Men der er endnu ingen direkte bevis for noget matchende [supersymmetrisk] partikelpar. ”
De svage interaktioner mellem WIMPS er grunden til, at selvom mørke stofpartikler har masse og overholder tyngdekraften, klumper de sig ikke i galakser og stjerner som normal stof. For at klumpe sig sammen, skal partikler gå sammen og klæbe sammen. Men WIMPS flyver ofte lige ved hinanden. Fordi WIMPS er neutrale, danner de ikke atomer, som kræver tiltrækning af positivt ladede protoner til negativt ladede elektroner.
”Mørk stof gennemsyrer alt,” siger Cabrera. ”Det kollapsede bare aldrig, som atomer gjorde.”
Da mørkt stof aldrig dannede stjerner og andre kendte himmelske genstande, vidste forskere i lang tid aldrig, at det var der. Den tidligste indikation af dens eksistens kom i 1930'erne, da Fritz Zwicky, en schweizisk-amerikansk astronom, observerede klynger af galakser. Han tilføjede masserne af galakser og bemærkede, at der ikke var tilstrækkelig masse til at redegøre for den tyngdekraft, der måtte eksistere for at holde klyngerne sammen. Noget andet skal give den manglende masse, udledte han.
Senere i 1970'erne målte Vera Rubin, en amerikansk astronom, hastigheden for stjerner i Mælkevejen og andre nærliggende galakser. Da hun så længere ud mod kanterne af disse galakser, fandt hun, at stjernerne ikke roterer langsommere, som forskerne forventede. ”Det gav ingen mening,” siger Cabrera. "Den eneste måde du kunne forstå det på er hvis der var meget mere masse der end hvad du så i stjernelyset."
I årenes løb har flere og flere beviser for mørk materie været stablet. Selvom forskere endnu ikke ved, hvad det er, har de en bedre idé om, hvor det er, og hvor meget af det der skal være. ”Der er meget lidt viggelokale tilbage til at have forskellige mængder,” siger Cabrera.
”Vi har ikke set noget, der ligner et interessant signal til dato,” siger han. Men CDMS II-forskerne fortsætter søgningen. Så gør også andre grupper. ZEPLIN, et eksperiment udført af fysikere ved University of California-Los Angeles og Storbritanniens Dark Matter Collaboration, sigter mod at fange WIMP'er i flydende kar af xenon i en mine nær Sheffield, England. Og på Sydpolen er der under opførelse et University of Wisconsin-Madison-projekt kaldet IceCube, der vil bruge optiske sensorer begravet dybt i isen for at se efter neutrinoer, højenergipartikler, der er underskrifter til WIMP-udslettelser.
I mellemtiden fortsætter CDMS II med at udvikle sig. Dets forskere bygger større og større detektorer for at øge deres chancer for at finde WIMPS. I fremtiden håber teamet at bygge en 1 ton detektor, der skulle være i stand til at opdage mange af de mest sandsynlige typer af WIMPS, hvis de findes. ”Vi tager data nu med mere end dobbelt så meget målmasse på germanium end vi havde før, så vi undersøger helt sikkert nyt territorium lige nu,” siger Ogburn. "Men der er meget mere at dække."
Original kilde: Stanford News Release
