Nowy eksperyment bada kontrowersyjne sygnały ciemnej materii

W pomieszczeniu czystym: Karoline Schäffner i jej zespół kończą prace nad kriostatem. (Zdjęcie: Collaboration COSINUS)

Schematyczna budowa eksperymentu COSINUS (rysunek: Zespół COSINUS) / Układ eksperymentu COSINUS (rysunek: Zespół COSINUS)

Zespół naukowców i techników podczas instalacji kriostatu. (Zdjęcie: Współpraca COSINUS) / A team of scientists and technicians are installing the cryostat. (Photo: COSINUS Collaboration)

Detektor: Kryształ jodku sodu — ten sam materiał co w eksperymencie DAMA/LIBRA. (Zdjęcie: Zespół COSINUS) / The detector: A crystal of sodium iodide - the same material as in the DAMA/LIBRA experiment. (Photo: COSINUS Collaboration)

We Włoszech 18 kwietnia 2024 roku zainaugurowano wielki eksperyment na rzecz wykrycia Ciemnej Materii. COSINUS jest międzynarodowym projektem badawczym, w którym bierze udział również zespół z Instytutu Fizyki Maxa Plancka (MPP).

Naturalna natura Ciemnej Materii do dziś należy do największych pytań współczesnej fizyki. Według obecnej wiedzy, niewidzialna Ciemna Materia stanowi 85 procent całkowitej masy we Wszechświecie. Dziś w podziemnym laboratorium Gran Sasso we Włoszech (INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso) uruchomiono eksperyment COSINUS*. Projekt badawczy ma na celu sprawdzenie, czy inny eksperyment (DAMA/LIBRA) rzeczywiście zmierzył sygnały Ciemnej Materii – czy nie. COSINUS jest kooperacją Technische Universität Wien, Instytutu Fizyki Wysokich Energii ÖAW, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Włochy), Helsinki Institute of Physics (Finlandia) oraz MPP.

W ramach projektu COSINUS opracowano specjalne narzędzie. Polega ono na schłodzeniu kryształu do ekstremalnie niskich temperatur, aby móc z wysoką precyzją mierzyć energię cząstek. Jeśli Ciemna Materia składa się z dotąd nieznanych cząstek, Ziemia podczas swojej drogi przez kosmos powinna zderzać się z tymi cząstkami. Te kolizje można wykryć w urządzeniu pomiarowym.

Eksperyment DAMA/LIBRA zebrał dane, które są zgodne z tą hipotezą, jednak są kontrowersyjne, ponieważ do dziś nie potwierdzono ich w innym eksperymencie.

Czy Ziemia przechodzi przez mgłę Ciemnej Materii?

Gdyby Ciemna Materia rzeczywiście mogła zostać wykryta, pomiary w ciągu roku zmieniałyby się. Dlaczego? Słońce i wszystkie jego planety – w tym Ziemia – poruszają się z prędkością około 220 kilometrów na sekundę wokół centrum Drogi Mlecznej. Ziemia z kolei krąży wokół Słońca z prędkością około 30 kilometrów na sekundę, a pełen obieg zajmuje jej rok. Przez pół roku Ziemia porusza się w tym samym kierunku co Słońce, przez pozostałe sześć miesięcy w przeciwnym.

„Jeśli nasza galaktyka jest przeniknięta cząstkami Ciemnej Materii, Ziemia raz będzie szybciej, raz wolniej przechodzić przez tę ‚mgłę’”, wyjaśnia naukowiec z MPP Karoline Schäffner, kierowniczka techniczna COSINUS. „Sytuacja przypomina jazdę samochodem w deszczu: im szybciej jedziemy, tym więcej kropli deszczu uderza w szybę. Oczekujemy więc, że w różnych momentach będziemy wykrywać różną ilość Ciemnej Materii.”

Dokładnie to wykazał eksperyment DAMA/LIBRA, który działa od 1995 roku: rzeczywiście wykryto sygnał, którego intensywność regularnie się zmieniała w ciągu roku – co wskazuje na Ciemną Materię. Jednak inne eksperymenty nie zdołały powtórzyć tych wyników.

Brak potwierdzenia przez inne eksperymenty od lat zajmuje międzynarodową społeczność naukową. „Dzięki naszemu nowemu projektowi istnieje szansa rozwiązania tej zagadki”, mówi Karoline Schäffner. „Używamy w naszym detektorze jodku sodu, tego samego materiału co w eksperymencie DAMA/LIBRA, aby móc porównać wyniki. Nasza konstrukcja eksperymentalna zapewni jednak znacznie wyższą precyzję.”

Ciepło i światło

W eksperymencie DAMA/LIBRA rejestrowane jest tylko światło, a nie ciepło. Istnieją już dwa kolejne eksperymenty, nad którymi pracują naukowcy, aby odtworzyć wyniki DAMA/LIBRA. Podobnie jak oryginał, oba rejestrują tylko światło – w przeciwieństwie do COSINUS, które jest zaprojektowane do wykrywania dwóch różnych sygnałów.

Serce COSINUS stanowi kriostat – rodzaj lodówki do ekstremalnie niskich temperatur – w którym kryształ jodku sodu może być schłodzony do 1-2 setnych stopnia powyżej zera absolutnego (-273 stopnie Celsjusza). Gdy kryształ zostanie trafiony przez cząstki Ciemnej Materii, w detektorze zachodzą dwie reakcje: Po pierwsze, atomy kryształu zaczynają drgać – sieć krystaliczna zaczyna się poruszać i się nagrzewa. Zarejestrowana energia cieplna może być mierzona z dużą dokładnością. Po drugie, w kryształach powstaje również światło, które COSINUS może „zobaczyć”.

Znane czy nieznane cząstki?

Badanie dwóch sygnałów dostarcza także wskazówek, o jakie cząstki chodzi. „To ważne, ponieważ nie każdy sygnał, który rejestrujemy w takim detektorze, jest dowodem na Ciemną Materię”, wyjaśnia Karoline Schäffner. „Na przykład mogą to być zwyczajne elektrony powstałe w wyniku naturalnej radioaktywności albo neutrony produkowane przez cząstki kosmiczne.”

Aby wykryć sygnały Ciemnej Materii, naukowcy muszą jak najskuteczniej odizolować kryształ od wszelkiego tła. Dlatego eksperyment jest dobrze chroniony w masywie górskim, w największym na świecie laboratorium podziemnym: w INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (INFN-LNGS, Włochy), około stu kilometrów od Rzymu. Pod 1400-metrową warstwą skał znajduje się system tuneli, mieszczący wiele wysoce czułych eksperymentów – również tam zbudowano eksperyment DAMA/LIBRA. Ponadto detektory umieszczone są w siedmiometrowym zbiorniku wypełnionym wysokiej czystości wodą.

Projekt COSINUS zostanie oficjalnie otwarty 18 kwietnia 2024 roku w INFN-LNGS. Pierwsze wyniki pomiarów można się spodziewać w latach 2025/26.

* Cryogenic Observatory for SIgnatures seen in Next-generation Underground Searches