3/4 drogi do Nobla?

Archiwum

Moje najwiÄksze skarby i opowieĹci prosto z mojego

"Science" publikuje wyniki eksperymentu, który może wstrząsnąć naszym obrazem Wszechświata. W sztolniach starej kopalni fizycy złapali pierwsze cząstki ciemnej materii, hipotetycznego tworzywa galaktyk. Jest jednak jedna szansa na cztery, że się pomylili.

Już w grudniu gruchnęły plotki o tym, że w sztolniach kopalni Soudan w stanie Minnesota fizycy odkryli coś ważnego. W XIX wieku poszukiwacze złota znaleźli w tym miejscu bogate pokłady rudy żelaza. Wydobywano je aż do lat 60. zeszłego wieku, a w latach 80. Uniwersytet Minnesoty ulokował w kopalni swoje laboratorium. Gruba warstwa skał nad stropem osłania je przed deszczem promieniowania kosmicznego i cząsteczek rozproszonych w ziemskiej atmosferze. Fizycy badali tam trwałość protonów - cząstek, które stanowią składniki jąder atomowych i według obecnej wiedzy nigdy się nie rozpadają.

Siedem lat temu rozpoczęli zaś eksperyment CDMS, czyli polowanie na cząstki tajemniczej ciemnej materii.

Nie mamy pojęcia czym ona jest, nie widziano jej na Ziemi, ale - jak wynika z obserwacji astronomicznych - musi ona wypełniać cały kosmos. Ba, według oszacowań jest jej sześć razy więcej niż tej normalnej materii złożonej z protonów, neutronów i elektronów, która buduje zarówno nasze ciała, jak i wszystkie otaczające nas rzeczy.

Ciemny Warkocz Bereniki

Na jej pierwszy ślad wpadł w roku 1933 r. astrofizyk Fritz Zwicky, który mierzył prędkości poruszania się galaktyk w gromadzie Coma w konstelacji Warkocza Bereniki.

Każdy, kto kręcił się na karuzeli w wesołym miasteczku, wie, że gdyby siodełko urwało się z łańcucha, to zamiast kręcić się w koło, poleciałoby w siną dal. W gromadzie galaktyk takim łańcuchem jest siła grawitacji. Z pomiarów Zwicky'ego wynikało jednak, że galaktyki obracają się tak szybko, że już dawno powinny się urwać z uwięzi grawitacji, a cała gromada rozlecieć. Chyba że ich masa - a więc i wiążąca je siła grawitacji - są dużo większe, niż to widać w teleskopach.

Przez teleskopy widać tylko gwiazdy, które świecą. Hipotetyczna, dodatkowa masa w galaktykach była niewidoczna. Nazwano ją więc ciemną materią. Nie traktowano jej jednak poważnie, była ledwie astronomiczną ciekawostką.

Po raz kolejny dała ona o sobie znać w roku 1950. Wtedy, trzy tygodnie po urodzeniu pierwszego dziecka, swoje wyniki pomiarów ruchu gwiazd ogłosiła Vera Rubin, 22-letnia studentka Cornell University w Kalifornii (zrazu próbowała dostać się do Princeton, ale jej nie przyjęto, bo ta uczelnia nie przyjmowała wtedy do swego astrofizycznego programu kobiet).

Młoda studentka obserwowała gwiazdy poruszające się wokół Wielkiej Mgławicy Andromedy, dużej sąsiedniej galaktyki. Spodziewała się, że podobnie jak planety w Układzie Słonecznym - gwiazdy bardziej oddalone od środka galaktyki poruszają się wolniej, niż te dalsze. Ze zdziwieniem jednak odkryła, że prędkość tych bliższych i tych dalszych gwiazd jest taka sama. W innych galaktykach podobnie. Wszystko wskazywało na to, że ruchem gwiazd nie rządzi widoczna, świecąca materia, lecz dużo masywniejszy obłok nieznanej, ciemnej materii, w którym galaktyki są zanurzone.

Aż do lat 60. ustalenia Very Rubin pozostawały niezauważone. Dzisiaj 82-letnia astrofizyk ma wielkie szanse doczekać Nagrody Nobla, bo jeśli w kopalni Soudan rzeczywiście znaleziono pierwsze cząstki ciemnej materii, byłoby to pięknym zwieńczeniem pracy, którą właśnie ona rozpoczęła.

Cząstki duchy

Teraz, już w większości modeli ewolucji Wszechświata ciemna materia odgrywa kluczową rolę - to ona miała najpierw tworzyć potężne włókna i grona, które ułatwiły świecącej materii sformowanie galaktyk i gromad. Słowem, wszystko to, co przez teleskopy widzimy w kosmosie, można porównać do świecidełek rozwieszonych na rozległym rusztowaniu z ciemnej materii.

Detektory ciemnej materii o średnicy 76 mm i grubości 10 mm są schłodzone prawie do temperatury zera bezwzględnego

Ale z czego jest złożona ta substancja? Jak jej dotknąć? To jedna z największych zagadek astrofizyki, która od lat nie może doczekać się rozwiązania. Niektórzy nawet twierdzą, że nie ma żadnej nieznanej materii, a wszystkie obserwacje ruchu galaktyk i gwiazd będą do siebie pasować, jeśli tylko odpowiednio zmodyfikujemy prawo ciążenia.

W wielu eksperymentach na całym świecie szuka się jednak cząstek, które byłyby składnikiem ciemnej masy. Bo jeśli wszystkie galaktyki są zanurzone w tej nieznanej materii, to także Droga Mleczna wraz z naszą planetą. Skoro zaś do tej pory tych cząstek nie znaleźliśmy, to znaczy, że przenikają przez nas i nasze przyrządy niczym duchy. To dlatego ochrzczono je mianem WIMP, co jest angielskim skrótem od "słabo oddziałujące masywne cząstki", co znakomicie oddaje naszą skąpą o nich wiedzę.

Ponieważ są to obiekty materialne, od czasu do czasu powinno dochodzić do ich zderzeń ze znanymi nam atomami. Fizycy umieszczają więc detektory gdzieś pod grubą warstwą ziemi - żeby odsiać zwykłe promieniowanie z atmosfery i kosmosu - i wypatrują takich rzadkich kolizji.

Mają nadzieję, że powtórzy się historia z neutrinem (elementarną cząstką materii), które wpierw wymyślił słynny fizyk Wolfgang Pauli po to, żeby ratować prawo zachowania energii w rozpadach promieniotwórczych beta. Hipotetyczne neutrino miało zabierać część energii, której brakowało w bilansie tej jądrowej reakcji. Nikt go jeszcze nie odkrył, bo - sugerował Pauli - nie ma ładunku elektrycznego oraz bardzo słabo oddziałuje z materią. Przez ponad ćwierć wieku szukano tej cząstki i dopiero w 1956 r. dostrzeżono jej ślad w detektorach.

Przez jakiś czas wydawało się, że to neutrina mogą zwiększać masę galaktyk i wyjaśnić zagadkę ciemnej materii. Kilkanaście lat temu ustalono jednak, że mają one na to zbyt małą masę.

W mroku kosmosu musi się więc kryć coś więcej.

Sensacja na trzy czwarte

Dlatego taką sensacją w świecie fizyków były grudniowe plotki, że to coś udało się złapać w kopalni Soudan. Mieści się tam 30 niewielkich detektorów - 11 z kryształów krzemu, a 19 z germanu. Mają kształt krążka o średnicy 76 mm i grubości 10 mm, schłodzone są do temperatury bliskiej zera bezwzględnego. Przed naturalnym promieniowaniem ziemskich skał chronią je osłony z ołowiu, a przed promieniami z kosmosu - blisko 800-metrowa warstwa ziemi nad stropem sztolni.

WIMP-y powinny bez problemu przenikać przez te wszystkie osłony i od czasu do czasu - jak kule bilardowe - zderzać się z jądrami atomów germanu lub krzemu. Minimalnie wzrośnie wtedy temperatura kryształu i uwolnią się ładunki elektryczne, a precyzyjne czujniki to zarejestrują.

Pierwsza faza eksperymentu trwała od lipca 2007 r. do września 2008 r., potem przystąpiono do analizy wskazań czujników, mozolnie eliminując fałszywe sygnały i zakłócenia. Przypominało to trochę szukanie igły w stogu siana. W grudniu zeszłego roku kilku członków zespołu niemal równocześnie zapowiedziało seminaria w największych ośrodkach badań jądrowych świata - w Fermilabie pod Chicago, w akceleratorze SLAC w Stanfordzie, w ośrodku CERN pod Genewą. W internetowych blogach znanych fizyków pojawiły się śmiałe spekulacje, a magazyn "Discovery" pisał, że "w powietrzu czuć było podniecenie".

Jak się okazało, były powody do całego zamieszania. Detektory w Soudan zarejestrowały bowiem dwa zderzenia, które z dużym prawdopodobieństwem można przypisać cząstkom ciemnej materii. Sensacja? Sukces? Nie do końca. Analiza błędów pokazała, że jest 23-proc. prawdopodobieństwo, iż te wskazania są jednak fałszywe (a więc było to zderzenie ze zwykłym elektronem czy fotonem promieniowania gamma, które jakoś przedarły się przez zapory).

Z drugiej strony są aż trzy na cztery szanse na to, że w sieci fizyków wpadły pierwsze cząstki ciemnej materii. Z naukowego punktu widzenia, to jednak za mało, by ogłosić odkrycie i za wcześnie, by otwierać korki od szampana.

Ale eksperyment trwa, do polowania włączają się też inne zespoły na świecie. Za rok, dwa już powinniśmy mieć pewność - twierdzą fizycy.

Piotr Cieśliński

3/4 drogi do Nobla?

Archiwum

Moje najwiÄksze skarby i opowieĹci prosto z mojego

Moje najwiÄksze skarby i opowieĹci prosto z mojego