חיפוש אחר חלקיקים של חומר כהה כאן על כדור הארץ

אסטרונומים לא יודעים מה זה חומר אפל, אבל הם כן יודעים שזה תופס כ- 25% מהיקום. גלאי רב עוצמה, עמוק מתחת לאדמה במכסה המנוע במינסוטה, עשוי להיות מסוגל לרדת לתחתית התעלומה. פרויקט Cryogenic Dark Matter Search II ינסה לאתר חלקיקים מאסיביים חלשים (aka WIMPS). החלקיקים התיאורטיים הללו בדרך כלל אינם מקיימים אינטראקציה עם החומר, אך יתכן שניתן יהיה לאתר את ההתנגשות הנדירה מדי פעם.

"קשה יותר ויותר להתרחק מהעובדה שיש חומר בחוץ שמרכיב את רוב היקום שאנחנו לא יכולים לראות," אומר קבררה. "הכוכבים והגלקסיות עצמן הם כמו אורות עץ חג המולד בספינה הענקית הזו החשוכה ואינה סופגת ואינה פולטת אור."

פרויקט Cabrera נקרא במחתרת עמוקה במכסה המנוע במינסוטה, שנקרא Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). פיזיקאי מאוניברסיטת קליפורניה-ברקלי ברנרד סאדולט משמש כדובר המאמץ. דן באואר של פרמילאב הוא מנהל הפרויקטים שלה, ודן אקריב מאוניברסיטת קייס ווסטרן רזרב הוא סגן מנהל הפרויקט. צוות של 46 מדענים ב -13 מוסדות משתף פעולה בפרויקט.

לתפוס WIMP
הניסוי הוא הרגיש ביותר בעולם שמטרתו לאתר חלקיקים אקזוטיים הנקראים WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), שהם אחד הניחושים הטובים ביותר של המדענים על מה שמרכיב חומר אפל. אפשרויות אחרות כוללות נייטרינו, חלקיקים תיאורטיים המכונים צירים או אפילו חומר רגיל כמו חורים שחורים וכוכבי ננס חומים שהם פשוט קלושים מכדי לראות.

WIMPS נחשבים כמטענים ניטרליים ושוקלים פי מאה ממסת הפרוטון. כרגע החלקיקים האלמנטריים הללו קיימים רק בתיאוריה ומעולם לא נצפו. מדענים חושבים שהם עדיין לא מצאו אותם משום שהם קשה לתפוס. WIMPS לא מתקשרים עם רוב החומר - החלקיקים הביישנים עוברים ממש בגופנו - אבל CDMS II שואף לתפוס אותם בהתנגשות נדירה עם האטומים בגלאים המיוחדים לפרויקט.

"חלקיקים אלה עוברים לרוב בכדור הארץ מבלי להתפזר," אומר קבררה. "הסיבה היחידה שיש לנו אפילו סיכוי לראות אירועים היא מכיוון ש [יש] כל כך הרבה חלקיקים, עד כי לעתים רחוקות מאוד יבוא אחד [לגלאי] ויתפזר."

הגלאים מוסתרים תחת שכבות אדמה במכרה סודאן במינסוטה כדי להגן עליהם מפני קרניים קוסמיות וחלקיקים אחרים שעלולים להתנגש בגלאים ולהיות טועים בחומר אפל. למעשה, מחצית הקרב על המדענים העובדים על CDMS II הוא להגן על המכשירים שלהם ככל האפשר מכל דבר פרט ל- WIMPS ולפתח מערכות מורחבות כדי להבדיל בין חומר אפל לחלקיקים ארציים יותר.

"הגלאי שלנו הוא הדבר בצורת ההוקי פאק שצריך לחיות 50,000 אלפים מעלות מעל האפס המוחלט", אומר וולטר אוגבורן, סטודנט לתואר שני בסטנפורד שעובד על הפרויקט. "קשה לגרום לדברים להיות קרים."

לשם כך, הכלים שוכנים בתוך מיכל הנקרא ארגז קרח, מרופד בשש שכבות בידוד, מטמפרטורת החדר מבחוץ לקרה ביותר מבפנים. זה שומר על הגלאים כל כך קרים שאפילו אטומים לא יכולים לרעוד.

הגלאים עשויים קריסטלים של סיליקון מוצק וגרמניום מוצק. אטומי הסיליקון או הגרמניום יושבים בשקט בסריג מושלם. אם WIMPS יתנגש בהם, הם יתנודדו ויחלקו חבילות חום קטנטנות הנקראות פונונים. כאשר פונונים עולים לפני השטח של הגלאים הם יוצרים שינוי בשכבה מאוד רגישה של טונגסטן, אותה החוקרים יכולים לתעד. מעגל שני בצד השני של הגלאי מודד יונים, חלקיקים טעונים שישוחררו מהתנגשות של WIMP ואטום בגלאי.

"שני הערוצים האלה מאפשרים לנו להבחין בין סוגים שונים של אינטראקציות," אומר אוגבורן. "יש דברים שמייצרים יותר יינון, ויש דברים שהם מפחיתים פחות, כך שתוכל להבין את ההבדל בצורה כזו."

כדי לבנות את הגלאים דרוש צוות מדענים במספר מתקנים כדי לבנות את הגלאים. הצוות קונה את הגבישים מחברה חיצונית, וחוקרים במרכז למערכות משולבות של סטנפורד מייצרים מכשירי מדידה על משטחי הגלאים. "אנו משתמשים באותם דברים כדי לגרום לאלה שאנשים משתמשים בהם כדי לייצר מעבדים במיקרו כיוון שהם גם הם קטנטנים במיוחד", אומר מאט פייל, סטודנט לתואר שני נוסף במעבדה של קבררה.

גושי רמזים
תת-קבוצה של WIMPS, המכונה ניטרלינוס, הם החלקיקים הקלים ביותר שמצפים על-העל-סימטריה, תיאוריה שמנבאת בן זוג לכל חלקיק שכבר צפינו. אם CDMS II יצליח למצוא ניטרלינים, זו תהיה העדויות הראשונות לסימטריות העל. "סופר-סימטריה מציעה שיש מגזר אחר לגמרי של חלקיקים שהם השותפים לחלקיקים הקיימים שלנו", אומר קברה. "ישנן דרכים רבות בהן העל-סימטריה נראית מאוד סבירה. אבל עדיין אין עדויות ישירות לשום זוג חלקיקים [סופר-סימטרי] תואם. "

האינטראקציות החלשות של WIMPS הן הסיבה שלמרות שחלקיקי החומר האפל הם בעלי מסה וצייתים לחוקי הכובד, הם אינם מתכווצים לגלקסיות וכוכבים כמו חומר רגיל. על מנת להתגבש, חלקיקים חייבים להתרסק ולהידבק זה לזה. אבל לרוב WIMPS יטוסו אחד ליד השני. בנוסף, מכיוון ש- WIMPS הם ניטרליים, הם אינם יוצרים אטומים, המחייבים משיכה של פרוטונים טעונים באופן חיובי לאלקטרונים טעונים באופן שלילי.

"חומר אפל מחלחל לכל דבר", אומר קבררה. "זה מעולם לא התמוטט כפי שעשו האטומים."

מכיוון שחומר אפל מעולם לא יצר כוכבים ושאר חפצים שמימיים מוכרים, במשך זמן רב מדענים מעולם לא ידעו שהוא נמצא שם. האינדיקציה המוקדמת ביותר לקיומה הגיעה בשנות השלושים של המאה העשרים, כאשר פריץ צוויקי, אסטרונום שוויצרי-אמריקאי, צפה באשכולות גלקסיות. הוא צירף את המוני הגלקסיות והבחין כי אין מספיק מסה כדי להסביר את כוח הכובד שצריך להתקיים כדי להחזיק את האשכולות יחד. משהו אחר חייב לספק את המסה החסרה, הסיק.

מאוחר יותר בשנות השבעים, ורה רובין, אסטרונומית אמריקאית, מדדה את מהירויות הכוכבים בנתיב החלב ובגלקסיות אחרות הסמוכות. כשהביטה רחוק יותר אל עבר שולי הגלקסיות הללו, גילתה שהכוכבים אינם מסתובבים לאט יותר כפי שציפו מדענים. "זה לא היה הגיוני", אומר קבררה. "הדרך היחידה שאתה יכול להבין את זה היא אם הייתה שם הרבה יותר מסה ממה שראית באור הכוכבים."

במהלך השנים נערמו יותר ויותר עדויות לחומר אפל. למרות שמדענים עדיין לא יודעים מה זה, יש להם מושג טוב יותר איפה זה וכמה צריך להיות. "נותר מעט מקום להתנועע בכמויות שונות," אומר קבררה.

"לא ראינו שום דבר שנראה עד היום כאות מעניינת", הוא אומר. אולם חוקרי CDMS II ממשיכים בחיפושים. כך גם עשו קבוצות אחרות. ZEPLIN, ניסוי שנערך על ידי פיזיקאים מאוניברסיטת קליפורניה-לוס אנג'לס ובבריטניה בשיתוף פעולה עם חשכה, מטרתו לתפוס WIMPs בשקעי נוזל של קסנון במכרה ליד שפילד, אנגליה. ובקוטב הדרומי נבנה פרויקט של אוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון בשם IceCube אשר ישתמש בחיישנים אופטיים הקבורים בעומק הקרח כדי לחפש נייטרינו, חלקיקי אנרגיה גבוהה המהווים חתימות של הכחדות WIMP.

בינתיים, CDMS II ממשיך להתפתח. החוקרים בונים גלאים גדולים יותר ויותר כדי להגדיל את הסיכוי שלהם למצוא WIMPS. בעתיד, הצוות מקווה לבנות גלאי בגודל 1 טון אשר אמור להיות מסוגל לגלות רבים מהסוגים הסבירים ביותר של WIMPS, אם הם קיימים. "אנו לוקחים כעת נתונים עם יותר מפי שניים ממסת המטרה של גרמניום ממה שהיה לפנינו, ולכן אנו בודקים כרגע טריטוריה חדשה", אומר אוגבורן. "אבל יש עוד הרבה דברים שכדאי לכסות."

המקור המקורי: מהדורת חדשות סטנפורד