Detektor ciemnej materii XENON

Wnyki na niewidzialne cząstki – o detektorach ciemnej materii

Kolejne obserwacje kosmosu uprawdopodobniają model, zgodnie z którym 80% materii pozostaje poza zasięgiem wzroku. Jednak do pełni szczęścia fizycy potrzebują konkretu: zarejestrowania cząstki stanowiącej budulec ciemnej materii.

Hipo­te­zie WIMP-ów będziemy mogli wystawić rachunek dopiero po uru­cho­mie­niu detek­to­rów nowej generacji.

Marian­gela Lisanti

Bez względu na przyjęte zało­że­nia, dwie sprawy wydają się natu­ralne i nie budzą więk­szych wąt­pli­wo­ści. Po pierwsze, ciemna materia musi być wypo­sa­żona w masę, w związku z czym może reagować gra­wi­ta­cyj­nie. Po drugie, hipo­te­tyczne cząstki powinny kom­plet­nie igno­ro­wać oddzia­ły­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne, a zatem nie wchodzić w żadną inte­rak­cję ze światłem. Stawia to badaczy przed absur­dal­nie trudnym wyzwa­niem, pole­ga­ją­cym na uchwy­ce­niu czegoś, co jest nie­wi­dzialne w naj­peł­niej­szym zna­cze­niu tego słowa.

Co do reszty można się spierać. Sce­na­riusz mini­malny, wedle którego ciemne cząstki (pozwól­cie, że zasto­suję taki skrót myślowy) nie oddzia­łują w żaden inny sposób niż poprzez gra­wi­ta­cję, byłby dla nauki jed­no­cze­śnie sce­na­riu­szem naj­czar­niej­szym. Gra­wi­ta­cja to naj­słab­sze z oddzia­ły­wań, nie­od­czu­walne w skali sub­a­to­mo­wej, a więc niezbyt pomocne podczas polowań na poje­dyn­cze cząstki ele­men­tarne. Dalej mamy oddzia­ły­wa­nie silne, skle­ja­jące kwarki wewnątrz protonów i neu­tro­nów; nie­zwy­kle mocne, ale dzia­ła­jące jedynie na bardzo, bardzo małych dystan­sach. Jednak, gdyby miało ono wiązać ciemną materię, to już dawno zauwa­ży­li­by­śmy ten wpływ w struk­tu­rze jądra atomowego.

Oddziaływanie ciemnej materii
Ciemna materia pozo­staje nie­wi­dzialna, choć wywiera na wszech­świat wyraźny wpływ gra­wi­ta­cyjny. Eks­pe­ry­men­ta­to­rzy mają nadzieję, że nieznane cząstki wiążą się również z oddzia­ły­wa­niem słabym.

Na polu pozo­staje ostatnie z czterech oddzia­ły­wań pod­sta­wo­wych, czyli oddzia­ły­wa­nie słabe – znane z pośred­ni­cze­nia w pro­ce­sach rozpadów jądro­wych – lub inna, nie­po­znana dotąd siła. Gdzieś w tym rejonie zmal­tre­to­wani fizycy wypa­trują swojego koła ratunkowego.

WIMP-iry bez zębów

Hipo­te­tyczne cząstki ciemnej materii, które byłyby zdolne do jakie­go­kol­wiek, choćby naj­drob­niej­szego poza­gra­wi­ta­cyj­nego związku z materią, fizycy okre­ślają zbior­czym akro­ni­mem WIMP (ang. Weakly Inte­rac­ting Massive Par­tic­les)[1]. Przyj­muje się, że WIMP‑y są dość masywne (do tysiąca mas protonu)[2], ale mieszczą się w gra­ni­cach teo­re­tycz­nie pozwa­la­ją­cych na wypro­du­ko­wa­nie ich choćby w Wielkim Zder­za­czu Hadronów. Problem polega w tym przy­padku jednak nie na wydo­by­ciu ciemnej materii – która i tak dociera do nas z prze­strzeni kosmicz­nej – ale na wyła­pa­niu jej przez detektory.

Nie­któ­rym mogą przejść przez głowę sko­ja­rze­nia z neu­tri­nami. I będą to sko­ja­rze­nia jak naj­bar­dziej uza­sad­nione. Badacze po raz kolejny tropią cząstki-duchy, prze­ni­ka­jące naszą planetę bilio­nami bez pozo­sta­wia­nia śladów. Nic dziwnego, że i projekty detek­to­rów ciemnej materii, w ogólnym zarysie przy­po­mi­nają sidła zasta­wiane na neutrina.

Wyobraź­cie sobie, że zosta­je­cie zmuszeni do szukania pier­ścionka, perły, bryłki złota bądź innego dro­go­cen­nego dro­bia­zgu, który pechowo wpadł do pia­skow­nicy. Macie do prze­sia­nia tony piasku, więc o ile nie jeste­ście maso­chi­stami, dla uspraw­nie­nia pracy posłu­ży­cie się sitem. Im większa będzie jego średnica, tym szybciej i wygod­niej zlo­ka­li­zu­je­cie zgubę. Fizycy rozumują podobnie. Skoro praw­do­po­do­bień­stwo wejścia poszu­ki­wa­nej cząstki w inte­rak­cję z materią pozo­stają mikro­sko­pijne (ale nie zerowe), to dla zwięk­sze­nia swoich szans musimy powięk­szyć detek­tory. Dla łowców neutrin naj­bar­dziej znanym tego rodzaju sitem pozo­staje japoński kompleks Super-Kamio­kande. Potężny pod­ziemny basen otoczony czuj­ni­kami, wyła­pu­ją­cymi nie­liczne ślady oddzia­ły­wa­nia maleń­kich cząstek z atomami tysięcy litrów wody. 

Tro­pi­ciele ciemnej materii od jakiegoś czasu podążają podobną drogą. Kon­stru­ują coraz większe zbior­niki, wypeł­niają je po brzegi wybraną sub­stan­cją absor­bu­jącą, a następ­nie dokład­nie moni­to­rują z nadzieją na zare­je­stro­wa­nie nie­ty­po­wych skoków aktywności.

Szlachetny ksenon

Kon­stru­owane od początku obecnego stulecia detek­tory ciemnej materii możemy podzie­lić na dwie główne kate­go­rie. Pierwsze to urzą­dze­nia krio­ge­niczne oparte o absor­benty w formie kry­sta­licz­nej, jak german, krzem lub wol­fra­mian wapnia. Naukowcy mają nadzieję, że na tle upo­rząd­ko­wa­nych atomów łatwiej będzie im dojrzeć nagłe, lokalne zabu­rze­nia, poten­cjal­nie wywołane przez inte­rak­cje z zabłą­ka­nymi cząst­kami. Przy­kłady takich pro­jek­tów to m.in. pro­wa­dzony przez nie­miecki Instytut Maxa Plancka eks­pe­ry­ment CRESST (ang. Cry­oge­nic Rare Event Search with Super­con­duc­ting Ther­mo­me­ters), fran­cu­sko-włoski EDELWEISS (fr. Expérience pour DEtecter Les WIMPs En Site Souter­rain) oraz ame­ry­kań­ski CDMS (ang. Cry­oge­nic Dark Matter Search), prze­kształ­cony następ­nie w SuperCDMS.

Eksperyment XENON1T
Detektor XENON1T dzia­ła­jący w latach 2016–2018. Na obu końcach komory wypeł­nio­nej dwoma tonami ksenonu zain­sta­lo­wano foto­po­wie­la­cze (PMT) służące reje­stra­cji zdarzeń fizycznych.

W drugim typie detek­to­rów, jako sub­stan­cję absor­bu­jącą wyko­rzy­stuje się skro­plone gazy szla­chetne. Pomy­sło­dawcy doświad­cze­nia ZEPLIN (ang. ZonEd Pro­por­tio­nal Scin­til­la­tion in LIquid Noble Gases) pod­ję­tego w bry­tyj­skim Boulby Under­gro­und Labo­ra­tory oraz mię­dzy­na­ro­do­wego projektu DarkSide zdali się na argon. Z kolei w ame­ry­kań­skim eks­pe­ry­men­cie LUX (ang. Large Under­gro­und Xenon Expe­ri­ment) oraz euro­pej­skim XENON-ie posta­wiono (jak wskazuje nazwa) na cięższy ksenon.

Naukowe podziemie Gran Sasso

W chwili gdy piszę te słowa za naj­bar­dziej obie­cu­jącą z szeregu ini­cja­tyw uchodzi ta ostatnia. XENON zade­biu­to­wał w 2006 roku i szybko zyskał rangę klejnotu koron­nego Labo­ra­tori Nazio­nali, czyli naj­więk­szego na świecie pod­ziem­nego kom­pleksu badaw­czego, leżącego u podnóża Gran Sasso we włoskich Apeninach.

Narodowe Labo­ra­to­rium Gran Sasso, położone u podnóża jednego z naj­wyż­szych szczytów Apeninów. Półtora kilo­me­tra pod ziemią – z dala od pro­mie­nio­wa­nia kosmicz­nego – prze­pro­wa­dzane są naj­waż­niej­sze doświad­cze­nia w dzie­dzi­nie cząstek elementarnych.

Początki były bardzo skromne. W pro­to­ty­po­wym detek­to­rze XENON10 użyto zaledwie 15 kg absor­bera. Po udanych testach przy­szedł czas na XENON100, gdzie w oło­wio­wym cylin­drze umiesz­czono już 165 kg oczysz­czo­nego ksenonu. Kolejny był XENON1T, gdzie masa skro­plo­nego gazu prze­kro­czyła 2 tony. I tu zaczęło się robić ciekawie, bo zapora w postaci atomów ksenonu odczuła w ciągu roku 285 zdarzeń – o 52 więcej niż prze­wi­duje teoria na pod­sta­wie zwykłego, cząst­ko­wego szumu tła. Czy otrzy­many wynik stanowi dowód ist­nie­nia WIMP-ów? Jeszcze nie. Wskazał jednak, że coś tam się dzieje i dalsze poszu­ki­wa­nia w zakła­da­nym zakresie energii mają sens.

Obecny wariant eks­pe­ry­mentu to roz­wi­jany od 2019 roku XENONnT. Tym razem na głę­bo­ko­ści 1,6 km pod ziemią umiesz­czono dzie­się­cio­me­trowy basen z wodą, wewnątrz którego zanu­rzono kolejny zbiornik, a w nim dwu­war­stwowy kriostat wypeł­niony ponad ośmioma tonami schło­dzo­nego do ‑95 °C ksenonu. Całość otoczono setkami ultra­czu­łych foto­po­wie­la­czy, a kon­struk­cja urosła do wyso­ko­ści dwu­pię­tro­wego budynku.

Detektory WIMP-ów mają warstwy

Wrażenie robi nie tylko ilość zgro­ma­dzo­nego gazu szla­chet­nego, ale przede wszyst­kim jego nie­praw­do­po­dobna jakość. W spo­ty­ka­nych przy innych okazjach próbkach, na każdy milion atomów ksenonu przypada przy­naj­mniej jeden nie­chciany atom tlenu, azotu lub izotop kryptonu Kr-85. Na potrzeby badań w (a wła­ści­wie pod) Gran Sasso, absor­bent desty­lo­wano w trzech fazach, aż zanie­czysz­cze­nie nie spadło do poziomu poniżej jednej części na bilion. Jakby tego było mało, również wszyst­kie elementy mecha­niczne i elek­tro­niczne detek­tora zostały wykonane ze sta­ran­nie dobra­nych mate­ria­łów. Nawet stal chi­rur­giczna byłaby w tym przy­padku zbyt pro­mie­nio­twór­cza i mogłaby wypaczyć wyniki.

Eksperyment XENONnT
Apa­ra­tura zapro­jek­to­wana na potrzeby XENONnT jest ogromna i wie­lo­war­stwowa. Na foto­gra­fii widnieje zewnętrzny kriostat, skry­wa­jący w sobie serce całego przed­się­wzię­cia, czyli wypeł­niony ksenonem kriostat wewnętrzny.

Ucieczka z ciemnego zaułka

Efekty pracy fizyków sku­pio­nych wokół XENON‑u i podob­nych eks­pe­ry­men­tów mogą być trudne do zro­zu­mie­nia przez laika. Wśród tera­baj­tów zebra­nych dotąd danych nie ma niczego co pozwo­li­łoby uczonym powie­dzieć: “hej, ta anomalia wygląda na odcisk WIMP‑a”! To jeszcze nie ten etap. 

Podczas badań pro­wa­dzo­nych w LHC, zwykle poszu­kuje się cząstek o bardzo pre­cy­zyj­nie opisanej cha­rak­te­ry­styce, ule­ga­ją­cych roz­pa­dowi wedle kon­kret­nego schematu. Łowcy ciemnej materii nie mają podob­nego komfortu. Na polu wciąż pozo­staje kil­ka­dzie­siąt równie praw­do­po­dob­nych modeli, z których każdy domaga się uważnego prze­te­sto­wa­nia. Chociaż więc wielu zaan­ga­żo­wa­nych fizyków liczy po cichu na zare­je­stro­wa­nie pierw­szego śladu WIMP‑a, za spory sukces będziemy mogli uznać już samo odsianie więk­szo­ści chy­bio­nych hipotez.

Literatura uzupełniająca:
E. Gibney, Last chance for WIMPs: physicists launch all-out hunt for dark-matter candidate, [online: nature.com/articles/d41586-020–02741‑3];
K. Roberts, Researchers propose repurposing tabletop sensors to search for dark matter, [online: phys.org/news/2021–05-repurposing-tabletop-sensors-dark.html];
K. Stacey, World’s most sensitive dark matter detector gets better, [online: news.brown.edu/articles/2015/12/lux];
E. Toomey, New Generation of Dark Matter Experiments Gear Up to Search for Elusive Particle, [online: smithsonianmag.com/science-nature/new-generation-dark-matter-experiments-gear-search-elusive-particle-180974111/]
T. Lin, Dark Matter Detector Delivers Enigmatic Signal, [online: physics.aps.org/articles/v13/135];
C. Moskowitz, Czy ciemna materia ujawni swoje tajemnice?, “Scientific American”, nr 5 (357), maj 2021;
L. Randall, Ciemna materia i dinozaury, przeł. E. Łokas, Warszawa 2016.
[+]
Total
0
Shares
Inne teksty