Pierwsze wyniki pomiarów z detektora cząstek o nazwie LUX wzbudziły nadzieje naukowców poszukujących ciemnej materii. Podkreślają, że to najpoważniejszy eksperyment tego rodzaju. Liczą na to, że potwierdzą doświadczalnie teorię o istnieniu zagadkowej substancji stanowiącej ponad jedną czwartą bilansu masy Wszechświata.
LUX, czyli Large Underground Xenon Detector to przeprowadzany w 370 kg ciekłego ksenonu eksperyment, który ma na celu bezpośrednie wykrycie interakcji między WIMPs (słabo oddziałującymi masywnymi cząstkami), uważanymi za jeden z głównych składników ciemnej materii, ze zwykłą, widzialną materią.
"Powinniśmy zacząć to widzieć"
Chociaż pierwszy okres doświadczenia nie zakończył się wyczekiwanymi rezultatami, to wykluczył ślady ciemnej materii pochodzące z innych wcześniejszych eksperymentów. Według naukowców pierwsze wyniki i tak pokazują, że to najpotężniejszy eksperyment tego rodzaju.
- Jeśli ciemna materia istnieje i jeśli oddziałuje w taki sposób, jak sądzimy, to naprawdę powinniśmy to zaobserwować - powiedział dr Chamkaur Ghag z University College w Londynie, pracujący przy LUX. Jak dodał, gdyby eksperyment nie wykazał żadnych bezpośrednich dowodów istnienia cząstek ciemnej materii, oznaczałoby to, że fizycy "muszą wrócić do początków", czyli stworzyć nową teorię.
Przewidywana, ale nie uchwycona
Ciemna materia to hipotetyczna substancja nieemitująca i nieodbijająca promieniowania elektromagnetycznego. Uważa się, ze stanowi 27 proc. bilansu masy Wszechświata. "Hipotetyczna" oznacza, że dotąd nie udało się doświadczalnie stwierdzić jej istnienia, astronomowie wyprowadzili je z efektów grawitacyjnych, jakim podlega widzialna materia - zdaniem naukowców wytłumaczalnych właśnie przy założeniu jej wpływu.
Większość naukowców uważa, że ciemna materia składa się głównie ze słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP), których miliony przepływają przez nas bez śladu w każdej sekundzie. Starający się ją "namierzyć" naukowcy próbują to robić na trzy sposoby.
Skanują, zderzają, tropią
Pierwszy polega na skanowaniu kosmosu za pomocą detektorów takich jak Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) w poszukiwaniu osadów pozostałych po wzajemnych zderzeniach cząstek ciemnej materii.
Drugi sposób to wykorzystanie akceleratora cząstek takiego jak Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), w którym naukowcy próbują doprowadzić do pojawienia się ciemnej materii, zderzając ze sobą mocno rozpędzone cząstki.
Trzecia metoda polega na zastosowaniu podziemnych detektorów, które mają wykryć poszukiwane cząstki, kiedy przechodzą one przez Ziemię. Te doświadczenia są nastawione przede wszystkim na to, by uchwycić bardzo rzadkie przypadki, kiedy cząstki ciemnej materii wpadają na cząstki tej zwykłej.
Najwyższa czułość
LUX znajduje się głęboko w kopalni na terenie ośrodka badawczego Sanford Underground Research Facility w Stanach Zjednoczonych. W pierwszej części tego roku odbył swój pierwszy 90-dniowy cykl doświadczalny.
- Podczas tych pierwszych trzech miesięcy sprawdzaliśmy, jak pracuje detektor, i jesteśmy bardzo zadowoleni z tego, co widzimy - powiedział prof. Richard Gaitskell z Brown University w Rhode Island. - Ten pierwszy okres pracy wykazuje, że jego czułość jest wyższa niż w jakimkolwiek poprzednim doświadczeniu zmierzającym do bezpośredniego wykrywania cząstek ciemnej materii - dodał. Po tych początkowych 90 dniach dowód na jej istnienie na razie jednak się nie pojawił.
"To już naprawdę powinno być to"
Według zespołu badawczego pracującego przy LUX brak takich wyników świadczy o tym, że nie mogły ich wykazać również inne eksperymenty z tej dziedziny - włoski DAMA czy amerykańskie CDMS i CoGeNT. Naukowcy twierdzą, że gdyby ich wyniki były prawidłowe, to przy swoim wysokim poziomie czułości LUX musiałby również wychwycić te ślady.
Badacze liczą, że detektor pokaże pełnię możliwości w kolejnym, 300-dniowym cyklu doświadczalnym, którego rozpoczęcie jest planowane na początek 2014 roku, i wtedy po raz pierwszy bezsprzecznie wykryje ciemną materię.
- To już naprawdę powinno być to. Osobiście mam nadzieję, uda nam się wykryć WIMPs w ciągu tej dekady - przyznał dr Ghag. - Musimy wiedzieć, czym naprawdę jest czwarta część Wszechświata i to LUX powinien jako pierwszy to odkryć - dodał.
LUX-ZEPLIN ostatnią szansą
Według prof. Anne Green z Uniwersytetu w Nottingham LUX jest dużym krokiem naprzód w dziedzinie wykrywania WIMPs. - To naprawdę imponujące, że już w pierwszym cyklu osiągnął wiodącą czułość na świecie - przyznała.
- Jest komplementarny do eksperymentów pośredniego wykrywania takich jak AMS i LHC. Ponieważ nie znamy dokładnych właściwości WIMPs, nie wiemy, który rodzaj eksperymentu pozwoli wychwycć je najszybciej. Żeby mieć stuprocentową pewność, że wykryliśmy ciemną materię, będziemy chcieli uzyskać spójne sygnały z różnych doświadczeń - stwierdziła.
Jeśli LUX zawiedzie i nie znajdzie poszukiwanych śladów, pracujący przy nim zespół będzie miał kolejną szansę, pracując przy eksperymencie o jeszcze większej czułości, nazwanym LUX-ZEPLIN. Jeśli jednak on także nie da pożądanych rezultatów, fizycy będą zmuszeni odstąpić od dotychczasowej koncepcji ciemnej materii i sformułować nowe teorie.
"Włożę szampana do lodówki"
Komentujący dotychczasowe wyniki LUX prof. Carlos Frenk z Durham University wyjaśnił, że w ostatnim dziesięcioleciu przybywało zespołów badawczych z całego świata, które deklarowały rozwiązanie zagadki czarnej materii, ale wiele z nich spotkało się raczej z niedowierzaniem międzynarodowego środowiska naukowego. Według Frenka dopiero ostatnie lata przyniosły poważne wyniki najlepszych grup doświadczalnych na świecie.
- Tym, czego dokonał LUX, jest wniesienie pewnego porządku w chaosie sprzecznych twierdzeń. Więc jeśli twierdzą, że wykluczają prawidłowość poprzednich wyników, trzeba ich traktować serio. Ale nie ma wątpliwości, że wynikną z tego kolejne dyskusje - podsumował profesor.
Dodał też, że osobiście ma nadzieję, ze LUX dostarczy dowodów na istnienie ciemnej materii. - Teraz jeszcze nie otworzę szampana. Ale kupię go i włożę do lodówki - podkreśla.
Autor: js/mj / Źródło: bbc.co.uk
Źródło zdjęcia głównego: Wikipedia