Ciemna materia - irytująca, niewykrywalna substancja, która stanowi ponad 80 procent całej materii we Wszechświecie, wciąż jest czymś nieuchwytnym mimo dekad jej poszukiwań. Czy w rozwiązaniu zagadki pomoże nowy, podziemny obiekt wybudowany w Chinach?
China Jinping Underground Laboratory (CJPL) daje nadzieję na pójście o krok dalej w polowaniu na nieuchwytną ciemną materią. To jeden z największych i najnowocześniejszych kompleksów badawczych służących jej poszukiwaniom.
Laboratorium zostało zbudowane wewnątrz tuneli biegnących przez góry Jinping w chińskiej prowincji Syczuan i znajduje się pod 2400 metrami skał. Powodem tej głębokiej, samotnej lokalizacji jest fakt, że tak duża ilość skalnego materiału ponad aparaturą pomaga zmniejszyć szum tła występujący w danych dotyczących hipotetycznej ciemnej materii, wywoływany przez czynniki na przykład takie, jak różne postacie promieni kosmicznych.
Ogromny obiekt o powierzchni 330 tys. metrów sześciennych mieści w swym sercu dwa zmodernizowane detektory ciemnej materii. Laboratorium jest przy tym, co istotne, łatwo dostępne: do jego głębokich, górskich jaskiń pod skałami można po prostu wjechać autobusem. Taka lokalizacja jest atrakcyjna ze względów praktycznych, a budowa kompleksu znacznie mniej kosztowna niż w przypadku tych wykopanych głęboko pod powierzchnią Ziemi.
Według fizyków ciemna materia, która zdaje się przenikać cały Wszechświat, nie wchodzi w wiele interakcji, w których uczestniczą zwykłe, naładowane cząstki, takie jak protony i elektrony. Zatem ewentualne, nieznane jeszcze cząstki składające się na tę tajemniczą substancję mogą bez większego trudu prześlizgiwać się przez ziemskie skały i docierać do detektora znajdującego się pod ich warstwą w chińskim laboratorium Jinping. Kluczową cechą ciemnej materii jest właśnie to, że nie oddziałuje ona ze światłem, w przeciwieństwie do „normalnej” materii złożonej na przykład z elektronów. To dlatego jest ona dla nas całkowicie niedostrzegalna. Wyzwaniem dla współczesnej fizyki jest przygotowanie odpowiednio skonstruowanej pułapki, która pozwoli nam ją w końcu zobaczyć, lub jakoś uchwycić choć ślad jej obecności.
Naukowcy liczą na to, że w laboratorium Jinping dojdzie do zderzenia cząstek ciemnej materii z materiałem umieszczonym w detektorach, zaprojektowanych specjalnie do wykrywania tych nieuchwytnych dotąd cząstek. Ich poszukiwania są prowadzone przez dwa zespoły związane z osobnymi eksperymentami ciemnej materii: Particle and Astrophysical Xenon Experiments (PandaX) i China Dark Matter Experiments (CDEX).
Hipotetyczne cząstki ciemnej materii zderzające się z atomami ciekłego ksenonu utrzymywanymi w detektorze PandaX byłyby możliwe do wykrycia przez jego czujniki jako charakterystyczne błyski światła. Drugi instrument, detektor germanowy CDEX o wyższej czułości, oznaczałby te tajemnicze cząstki jako sygnały elektryczne. Pomysł polega na tym, że nawet jeśli prawie każda cząstka ciemnej materii przeleci obok obu detektorów, są znacznie większe szanse, że choć jedna z nich przypadkowo wejdzie w kontakt z którymkolwiek z nich.
W szczególności chińskie wykrywacze ciemnej materii poszukują jednego z jej głównych i najbardziej popularnych kandydatów, czyli słabo oddziałujących, masywnych cząstek znanych jako WIMPy (weakly interacting massive particles). Na temat ich istnienia teoretyzuje się już od trzydziestu lat, jednak dotąd skutecznie wymykały się najbardziej zaawansowanym eksperymentom.
Inną poważną alternatywą dla hipotetycznych cząstek ciemnej materii są tak zwane aksjony, które nie tylko zalewają Wszechświat, ale – jeśli istnieją – zachowują się dokładnie tak, jak zdaje się działać ciemna materia. To hipotetyczne cząstki subatomowe o ultra małej masie, które mogą tworzyć ciemną materię. Zgodnie z przewidywaniami, nie mają one ładunku elektrycznego ani spinu. Pozostają też inne, bardziej egzotyczne interpretacje, w tym dość popularna, ale niepotwierdzona hipoteza SIDM (self-interacting dark matter), zgodnie z którą cząstki ciemnej materii w jakiś sposób oddziałują same ze sobą.
Uczeni zajmujący się ciemną materią zauważają, że laboratorium CJPL może również pomóc odpowiedzieć na bardziej fundamentalne pytanie, czy to właśnie dziwne i niewykryte dotąd cząstki elementarne, bądź ich grupy, rzeczywiście stanowią ciemną materię. To przekonanie jest dziś bardzo powszechne, wciąż jednak istnieją alternatywne, choć z naukowego punktu widzenia niedoskonałe teorie grawitacji, które w ogóle nie wymagają, aby ciemna materia składała się z cząstek. Nie można ich całkiem odrzucić, bo do dziś faktycznie nigdy nie wykryto żadnych jej cząstek.
Długo czekamy na rozpoznanie natury ciemnej materii. Wykrycie budujących ją cząstek prawdopodobnie rozstrzygnęłoby tę kwestię raz na zawsze.
Źródło: Space.com News.cn, fot. Pixabay
