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.
[+]
Czy wszechświat czeka śmierć cieplna? Wszystko co chcielibyście wiedzieć o czarnych dziurach cz.1 Kwanty w praniu – 7 zastosowań mechaniki kwantowej