În toamna anului trecut, într-un laborator aflat sub un munte la 80 mile est de Roma, o echipă internaţională condusă de Princeton University a pornit un nou proiect ce vizează găsirea unei substanţe misterioase care reprezintă un sfert din Univers, dar care nu a fost niciodată văzută. Proiectul de cercetare ştiinţifică, cunoscut sub numele de DarkSide-50, caută particulele de materie întunecată.
Cercetătorii ştiu deja de câteva decenii că materia vizibilă, adică lucrurile pe care le putem vedea, reprezintă doar 4% din Univers, în timp ce energia întunecată se crede că reprezintă aproximativ 73% din Univers. Materia întunecată ar constitui restul de 23% şi prin găsirea acesteia, afirmă cercetătorii, se va putea înţelege mai bine modul prin care s-a format Universul şi care ar fi soarta sa finală.
„Această căutare se aseamănă cu efortul depus pentru descoperirea bosonului Higgs din urmă cu 10 ani", a spus Peter Meyers, un profesor de fizică de la Princeton University şi unul dintre principalii oameni de ştiinţă implicaţi în acest proiect. „Ştim ce trebuie să căutăm, dar nu ştim exact unde sau când vom găsi ceea ce ne aşteptăm".
Echipa de cercetare DarkSide-50 este formată din studenţi şi cercetători de la zeci de instituţii din întreaga lume, printre care se numără (de la stânga în imaginea de mai sus) şi Luca Grandi, un profesor asistent la University of Chicago, Richard Saldanha, un coleg de la Kavli Institute for Cosmological Physics de la University of Chicago şi Hanguo Wang, un cercetător de la University of California din Los Angeles. Toţi aceştia poartă haine de protecţie pentru a păstra mediul înconjurător curat în timp ce lucrează la asamblarea inimii detectorului de materie întunecată, un rezervor umplut cu argon având fotodetectori în partea de sus şi în cea de jos, care au scopul de a surprinde lumina rezultată în urma coliziunilor dintre particule şi bobine din cupru ce ajută la determinarea locului în care se produc aceste ciocniri (dacă acestea au avut loc).
Credit: Peter Meyers
Găzduit de Gran Sasso National Laboratory din Italia, în interiorul unei camere săpate în stânca muntelui, DarkSide-50 cuprinde 17 instituţii americane, Italian Institute for Nuclear Physics şi alte instituţii din Italia, Franţa, Polonia, Ucraina, Rusia şi China. Echipa de cercetare include postdoctoranzi, cercetători şi studenţi de la Princeton University.
Cercetătorii au reuşit vara trecută să asambleze detectorul care constă din trei camere umplute cu lichid aflate una în interiorul celeilalte, similar modului în care sunt realizate păpuşile ruseşti. În prezent proiectul este în curs de desfăşurare, astfel încât se aşteaptă semnalele de la acesta. Spre deosebire de marele accelerator de particule Large Hadron Collider, cel care a descoperit bosonul Higgs, în cadrul lui DarkSide-50 nu se sparg particule prin ciocnirea unor fascicule accelerate de materie. În schimb acesta este proiectat pentru a detecta particulele de materie întunecată care trec prin interiorul camerelor sale.
Citeşte şi : DarkSide. Ţinta - materia întunecată
Căutând particulele WIMP (n.t. Weakly Interacting Massive Particles - Particule masive ce interacţionează slab cu materia obişnuită)
Dovezile privind existenţa materiei întunecate datează încă din anii 1930, atunci când astronomii şi-au dat seama că pe baza materiei pe care o putem vedea, sub formă de planete, stele şi galaxii, nu se poate explica forma galaxiilor în spirală sau a clusterelor galactice.
Fără existenţa acestei materii lipsă, galaxiile ar fi trebuit să se destrame cu mult timp în urmă. Materia furnizează gravitaţia care menţine stelele în rotaţie în jurul centrului galaxiei. Cu excepţia cazului în care teoriile noastre despre gravitaţie sunt greşite (există o minoritate de fizicieni care cred că aceasta este o posibilitate) trebuie să existe materia întunecată.
„Găsirea particulelor de materie întunecată ar confirma modul în care înţelegem Universul", a spus Cristiano Galbiati, profesor asociat de fizică la Princeton. „Şi chiar dacă le vom găsi sau nu, noi vom învăţa foarte multe despre cum să le căutăm. Acesta este un moment mai interesant ca niciodată în ceea ce priveşte căutarea materiei întunecate".
Deşi nimeni nu ştie cu siguranţă din ce este formată materia întunecată, echipa DarkSide-50 şi mulţi alţi oameni de ştiinţă cred că candidatul cel mai probabil este o particulă care este numită WIMP, ceea ce reprezintă prescurtarea de la „particulă masivă cu interacţiune slabă".
După cum o sugerează şi numele lor, particulele WIMP interacţionează foarte puţin cu mediul prin care se propagă. Ele, pur şi simplu, trec prin pereţi ca şi cum ar fi fantome. Nu veţi putea niciodată reţine cu palmele aceste particule subtile.
Oamenii de ştiinţă sugerează că o particulă WIMP poate fi detectată atunci când aceasta se loveşte de nucleul unui atom, cum ar fi cel de argon, care se găseşte în aer. Atunci când acest lucru se întâmplă într-o incintă în care există o concentraţie mare de atomi de argon, atomul ciocnit ricoşează şi determină apariţia unei urme a atomilor de argon excitaţi. Această urmă se prezintă ca o dâră luminoasă care poate fi detectată cu ajutorul unor dispozitive numite fotodetectori.
Dar aceste coliziuni sunt rare, în fiecare an sunt detectate doar câteva evenimente WIMP. Deoarece şi alte particule emit, de asemenea, lumină atunci când se ciocnesc cu atomii de argon, DarkSide-50 se desfăşoară la aproape o milă sub muntele Gran Sasso („Gran Sasso" este numele italian pentru „Marea piatră"). Stânca muntelui protejează proiectul de acţiunea particulelor din razele cosmice care bombardează în mod obişnuit planeta Pământ.
„Separarea evenimentelor rare de tip WIMP de restul evenimentelor din fundal este principala provocare cu care se confruntă toate proiectele care desfăşoară cercetări în legătură cu materia întunecată", a spus Frank Calaprice, profesor de fizică la Princeton, cel care conduce proiectul alături de Meyers şi Galbiati.
„DarkSide reprezintă o încercare de a construi un aparat cât mai asemănător cu un „detector ideal fără evenimente de fundal". Soluţia sa constructivă beneficiază de experienţa a două decenii de activitate pe care grupul de cercetători de la Princeton a desfăşurat-o în cadrul proiectului de cercetare Borexino în care au fost implicaţi neutrini solari", a spus el, referindu-se la un alt proiect care s-a desfăşurat la Gran Sasso şi care, în cele din urmă, a stabilit un record în ceea ce priveşte rata de eliminare a evenimentelor din fundal şi prin detectarea neutrinilor solari care apar foarte rar. Neutrinii sunt particule elementare a căror existenţă a fost prezisă teoretic cu mult timp înainte ca ele să fie detectate.
Oamenii de ştiinţă şi studenţii de la Princeton University şi alte instituţii au petrecut ore întregi în acest laborator retras aflat la ieşirea unui tunel de şase mile lungime aflat pe o autostradă care traversează Italia de la Roma către coasta de est a ţării. Vehiculele care se apropie de laborator sunt oprite de un post de pază în faţa unei porţi din oţel de mari dimensiuni, ceea ce te duce cu gândul la ascunzătoarea unui supercriminal.
Proiectul DarkSide-50 este în curs de desfăşurare la Gran Sasso National Laboratory în Italia centrală, fiind amplasat la aproape o milă sub muntele Gran Sasso pentru ca roca muntelui să protejeze detectorul de materie întunecată de acţiunea particulelor din razelor cosmice. Cercetătorii stau în oraşul Assergi atunci când ei nu lucrează în cadrul proiectului.
Credit: Will Taylor
Acest proiect exemplifică de ce Princeton University reprezintă un loc excepţional în care un student poate studia, a declarat Will Taylor, cel care a lucrat în laborator timp de o săptămână, în cursul lunii octombrie, la un sistem destinat eliminării urmelor lăsate de particulele radioactive din apa folosită în detector.
„Ceea ce face ca Princeton University să fie specială", a spus Taylor, „este că dacă vedeţi uşa profesorului deschisă, puteţi intra şi să cereţi să participaţi într-un proiect de cercetare ştiinţifică. Şi acesta este unul dintre proiectele cele mai sofisticate din lume".
Pregătirea unui proiect supersensibil
DarkSide-50 este situat într-una din cele trei caverne din Gran Sasso. Detectorul WIMP este aproximativ de mărimea unui sac de băcănie şi el conţine 10 galoni de argon pur care a fost lichefiat prin răcire la o temperatură de -186 grade Celsius (-303 grade Fahrenheit).
Partea activă a detectorului, care este înfăşurată în teflon, conţine 50 kg (aproximativ 110 livre) de argon activ, de unde provine şi numele proiectului DarkSide-50. În partea de sus şi de jos a rezervorului există mai multe rânduri de fotodetectori care surprind lumina produsă în urma coliziunilor. În plus, bobine de cupru captează electronii care sunt separaţi de atomii de argon. Acest lucru ajută la determinarea locului din interiorul detectorului unde s-a produs coliziunea.
Vasul umplut cu argon se află în interiorul unei sfere din oţel care este suspendată pe piloni şi umplută cu 7.000 de galoane dintr-un lichid numit scintilator. Sfera se află în interiorul unui rezervor cilindric având înălţimea a trei etaje care este umplut cu 250.000 de galoane de apă ultrapură.
Ambele camere exterioare ajută la distingerea evenimentelor WIMP de miuonii din razelor cosmice şi de particulele denumite neutroni care sunt emise datorită urmelor de radioactivitate din materialele folosite la construcţia detectorului.
O particulă WIMP care interacţionează cu argonul nu va fi văzută nicăieri altundeva, în timp ce neutronul şi miuonul care vor interacţiona atât cu argonul, scintilatorul sau apa, le va permite oamenilor de ştiinţă să distingă particula WIMP de orice altă particulă.
După finalizarea asamblării detectorului, la sfârşitul verii, cercetătorii şi inginerii au început umplerea camerelor de detecţie, mai întâi vasul cu argon, apoi sfera şi apoi rezervorul. Această etapă a durat săptămâni. Fiecare rezervor a trebuit să fie verificat mai întâi pentru a exista siguranţa că acesta va funcţiona înainte ca următorul să fie umplut, a spus Shawn Westerdale, un absolvent al facultăţii de fizică care a fost implicat în proiect.
În cursul toamnei echipa de cercetători care a participat la proiect s-a întâlnit zilnic pentru a analiza stadiul proiectului prin intermediul unor videoconferinţe din Italia şi s-a efectuat controlul final al echipamentelor.
Odată ce sistemul a fost gata, a venit timpul ca acesta să fie pornit.
„Pornirea pentru prima dată a unui detector reprezintă momentul cel mai interesant din viaţa unui fizician, este ca o dimineaţă de Crăciun", a declarat Maria Elena Monzani, un colaborator al Darkside-50 de la SLAC National Accelerator Laboratory din California.
Atunci când nu lucrează în laboratorul subteran, cercetătorii stau într-un mic oraş denumit Assergi, care găzduieşte dotările de la sol ale lui Gran Sasso Lab.
Proiectul Darkside-50 este format din trei camere. Un rezervor umplut cu argon este suspendat în interiorul unei sfere din oţel care este plină cu lichid, de mărimea unei camere şi care este suspendată într-un rezervor având o înălţime de trei etaje plin cu apă ultrapură. Cercetătorii caută ciocnirile dintre materia întunecată şi materia vizibilă în camera interioară, în timp ce camerele exterioare ajută la distingerea particulelor de materie întunecată de alte particule.
Credit: DarkSide-50, Gran Sasso Naţional Laboratory
Cynthia Steinhardt, studentă în anul doi, şi-a petrecut vara în Assergi pentru a ajuta la instalarea pieselor detectorului şi realizarea programului de simulări prin care se verifică buna funcţionare a fotodetectorilor. În timpul instalării detectorului ea şi alţi colegi au lucrat în camere curate de clasa 100 care sunt special concepute pentru a nu exista mai mult de 100 particule de 0,5 microni sau mai mari pe picior cub de aer. Pentru aceasta ei au purtat costume speciale pe întregul corp pentru a proteja echipamentul de radioactivitatea naturală care există în mediu.
„A fost un privilegiu să fac parte din ceva atât de important", a spus Steinhardt. „Am fost capabilă să mă implic în fiecare aspect al proiectului, de la programare, la clădiri, cabluri şi activităţi ocazionale de întreţinere".
Maria Okounkova a utilizat cunoştinţele de fizică dobândite în timpul anilor universitari.
„Îmi place să programez şi să lucrez cu numere, astfel încât am aplicat cunoştinţele mele de electromagnetism şi fizica particulelor pentru simularea ciocnirilor dintre particulele WIMP şi atomii de argon", a spus ea. „Am fost foarte încântată să aplic ceea ce am învăţat la Princeton în cadrul acestui proiect".
Dezvoltări ulterioare
Cercetătorii au început să obţină date cu privire la coliziuni în luna noiembrie, dar va mai dura ceva timp înainte de a fi gata să publice vreun rezultat. Atingerea nivelului dorit de sensibilitate ar fi o constatare importantă, chiar dacă nu sunt detectate evenimente WIMP, a declarat Galbiati.
Cercetătorii intenţionează să crească sensibilitatea detectorului în această vară, atunci când vor schimba argonul existent care a fost obţinut din aer cu argon dintr-o o mină din Colorado. Argonul subteran conţine de 150 de ori mai puţini izotopi naturali radioactivi. În consecinţă, utilizarea acestuia va reduce „zgomotul de fond" chiar mai mult.
Proiectul DarkSide-50 a fost susţinut de National Science Foundation, Office of Science al U.S. Department of Energy şi Italian Institute for Nuclear Physics. Proiectul se va desfăşura timp de o perioadă de trei-cinci ani şi cercetătorii deja se gândesc să mărească DarkSide pentru a creşte probabilitatea de a detecta particulele WIMP. Un detector mai mare ar conţine trei tone de argon lichid în loc de 50 de kilograme cât este utilizat în prezent.
„Detectorul care este de mărimea unui sac de băcănie ar fi de dimensiunea unui Chevrolet suburban", a spus Meyers.
Cu ajutorul lui DarkSide-50 şi a altor detectoare care sunt în funcţiune sau sunt planificate să fie instalate, mulţi fizicieni cred că particulele materiei întunecate vor fi găsite în următorii cinci până la 10 ani. Cu toate acestea, mai multe proiecte asemănătoare ar putea fi necesare pentru a confirma descoperirea acestora. Un alt detector de la Gran Sasso, denumit DAMA, ar fi identificat prezenţa particulelor materiei întunecate încă din anul 1998, deşi comunitatea fizicienilor a rămas sceptică. În prezent acceleratorul de particule Large Hadron Collider este oprit pentru lucrări de întreţinere şi el va ciocni din nou protoni în anul 2015 astfel încât ar putea crea particule de materie întunecată.
„Dacă DarkSide-50 găseşte materia întunecată, atunci vom avea confirmarea că aceasta este compusă din particule elementare şi astfel le vom putea studia în laborator", a spus Meyers. „Deoarece putem detecta doar aproximativ trei particule într-un an, nu vom opri acest proiect în curând. Pentru că vom afla cum putem observa aceste particule, vom putea începe să le studiem".
„Indiferent ce ar fi materia întunecată, aceasta reprezintă ceva nou, ceva ce nu a mai fost detectat anterior", a spus Taylor, care se va înscrie la doctorat şi speră să continue să lucreze în domeniul căutării materiei întunecate. „Ceea ce este foarte interesant".
Traducere de Cristian-George Podariu după darkside-aims-particles-dark cu acordul editorului
