Scientia

Universul este bântuit de materia neagră. Aceasta este de circa cinci ori mai abundentă decât materia ”normală”. Nu ştim încă din ce este alcătuită. Oamenii de ştiinţă au pus însă la punct tot felul de experimente pentru a o captura şi studia.

Aceste experimente sunt adevărate capcane, situate atât în laboratoare subterane, cât şi în spaţiu. În acest articol veţi afla mai multe detalii despre materia neagră, dar şi despre câteva din aceste "capcane" pentru materia neagră.


Materia neagră în Univers

Cum am văzut într-un articol anterior, materia „ordinară”, cea despre care ştim din ce este alcătuită şi pe care o studiem intens în laboratoarele noastre, reprezintă doar circa a cincea parte din totalul de materie din Univers. Restul, aproximativ 80%, este reprezentat de o formă de materie care are efecte gravitaţionale, dar nu ştim din ce ar putea fi alcătuită. Această formă de materie a căpătat numele de „materie neagră” (dark matter). Împreună cu energia neagră, despre care vă vom povesti în articolul următor, determină soarta şi evoluţia Universului.


Din ce ar putea fi alcătuita materia „neagră”? Există multe ipoteze, care văd particule încă nedetectate drept posibili candidaţi pentru materia „neagră”: neutrini sterili, neutralino, axion etc. Aceste particule sunt prevăzute în modele din fizica modernă, precum Modelul Supersimetric, în cadrul căruia fiecare particulă din cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare ar avea un partener cu masa mult mai mare. Neutralino, de exemplu, ar putea fi o astfel de  particulă supersimetrică, neutră din punct de vedere electric. De menţionat că până în prezent nu a fost observată experimental nicio particulă supersimetrică.


Capcanele pentru detectarea materiei negre

La ora actuală au fost puse la punct mai multe experimente dedicate capturării şi studiului materiei negre: unele în spaţiu, altele în laboratoare subterane, experimente ce încearcă să o măsoare şi care ar putea să ne ajute să avem un „portret” al acestei feţe ascunse a Universului. Aceste experimente studiază eventuali candidaţi pentru materia neagră care provin din spaţiu, deci nu au nevoie de acceleratoare. Pe lângă aceste experimente dedicate, există speranţa să detectăm eventuali candidaţi ai materiei negre în cadrul experimentelor de la acceleratorul LHC (Large Hadron Collider) de la Geneva. La LHC s-ar putea măsura primele particule supersimetrice – acesta fiind unul dintre scopurile experimentelor precum ATLAS sau CMS.

În cele ce urmează prezentăm, pe scurt, câteva dintre experimentele dedicate studiului materiei negre.


Experimente pentru studiul materiei negre

Există două mari categorii de experimente: directe şi indirecte. Experimentele „directe” sunt cele care încearcă să detecteze în mod direct materia neagră, prin măsurarea interacţiunii acesteia cu materia normală. Experimentele „indirecte”, pe de altă parte, au ca obiectiv măsurarea particulelor produse, de exemplu, în urma proceselor de anihilare între particule şi antiparticule de materie neagră. Particulele rezultate în urma anihilării ar putea fi particule (şi antiparticule) normale, adică cele explicate de Modelul Standard, ca de exemplu electron şi anti-electron (numit şi pozitron).


Experimente „directe”

Experimentele care efectuează măsurători directe de particule de materie neagră sunt de cele mai multe ori instalate în laboratoare subterane, pentru reducerea fondului generat de razele cosmice care ar da naştere la semnale asemănătoare cu cele produse de materia neagră, dar nu au nimic de-a face cu aceasta. Câteva astfel de laboratoare subterane sunt: SNOLAB în Sudbury, Ontario (Canada); mina Soudan (USA); laboratorul subteran italian de la Gran Sasso (LNGS), sau Deep Underground Science and Engineering Laboratory, South Dakota (USA).

Experimentele instalate în aceste laboratoare folosesc diverse tehnici care încearcă să măsoare semnalele foarte mici produse de eventuala interacţiune a particulelor de materie neagră cu sistemul de detecţie (de exemplu cu nucleele atomice). Din categoria acestor experimente s-a remarcat experimentul DAMA/LIBRA de la LNGS (Italia), care a detectat un semnal (o modulaţie anuală în rata evenimentelor) care ar putea fi generat de particule de materie neagră.

La ora actuală discuţiile sunt foarte aprinse şi nu toată lumea acceptă interpretarea conform căreia semnalul detectat de DAMA/LIBRA ar fi generat de materia neagră. Multe alte experimente sunt în funcţiune la ora actuală, în ideea de a captura eventuale semnale generate de materie neagră.


Experimente „indirecte”

Experimentele care detectează în mod indirect materia neagră măsoară eventualii produşi ai anihilării particulelor cu antiparticulele de materie neagră – produşi care ar putea fi fotoni (raze gama) sau particule şi antiparticule normale, pe care le cunoaştem îndeaproape. Din păcate, astfel de măsurători dau de obicei un rezultat destul de ambiguu, greu de interpretat, deoarece există multe alte surse de particule care ar putea altera semnalele produse de materia neagră.

Ca un exemplu de astfel de experiment dăm experimentul PAMELA, lansat în spaţiu în 2006, care a detectat un exces de pozitroni care ar fi putut să fie generaţi de anihilări ale materiei negre; acest exces însă ar putea proveni şi din alte surse.

Vedere de ansamblu asupra detectorului PAMELA

Alte experimente care ar au drept scop efectuarea de măsurători indirecte de materie neagră sunt FERMI Gamma-ray Space Telescope, lansat în spaţiu în 2008, şi experimentul MAGIC, situat la o altitudine de circa 2000 metri în La Palma (insulele Canare).

Cum am menţionat, particule de materie neagră ar putea fi produse şi la acceleratorul Large Hadron Collider (LHC) de la CERN Geneva şi detectate – direct sau indirect – de către detectoarele instalate la LHC (ATLAS, CMS, LHCb si ALICE).


Faţa întunecată a Universului: un pas mai aproape, dar există un mister şi mai mare

La ora actuală, în ciuda existenţei anumitor posibile semnale generate de materia neagră (DAMA/LIBRA şi PAMELA), nu avem certitudinea că aceasta ar fi fost într-adevăr detectată şi, cu atât mai puţin, informaţii clare legate de tipul de particule care ar putea să o alcătuiască. În ultimii ani însă, multe experimente au fost finalizate şi s-au lansat în aventura de căutare a materiei negre cu speranţa reală ca în următorii ani să reuşim să înţelegem mai multe despre acest aspect misterios şi fascinant al Universului.

Ne oprim aici cu scurta prezentare a materiei negre. Vom introduce în articolele următoare o altă faţă ascunsă a Universului, mult mai bizară decât cea reprezentată de materia neagră: aşa-numita energie „neagră”.

Autoarea mulţumeşte pentru colaborare dnei Diana Sirghi.

Mai multe informaţii la:
PAMELA
DAMA/LIBRA