PandaX: ένας ανιχνευτής σκοτεινής ύλης στην Κίνα, China's PandaX WIMP detector set to begin operations soon

The field cage for phase-1a. China's PandaX Dark Matter Experiment is in final preparations to begin operating sometime early this year, representatives for the project have told the press. Its mission is to capture evidence of a Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) colliding with the nucleus of a xenon atom—evidence of dark matter.

Κινέζοι φυσικοί ελπίζουν πως η απάντηση σε ένα από τα μεγαλύτερα κοσμικά μυστήρια θα βρεθεί στην «καρδιά» ενός βουνού στην επαρχία Σετσουάν, σε βάθος 2.400 μέτρων από την κορυφή του.

The field cage integrated with the top PMT supporting plate.

Εκεί, στο βαθύτερο ερευνητικό εργαστήριο στον πλανήτη, θα ξεκινήσει σε λίγες ημέρες το PandaX, ένα πείραμα που θα ελέγξει την επικρατέστερη θεωρία για την εξήγηση της σκοτεινής ύλης, η οποία κατακλύζει το σύμπαν χωρίς οι επιστήμονες να έχουν διαπιστώσει τη φύση της. Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης χρονολογείται από τη δεκαετία του 1930, όταν οι επιστήμονες διαπίστωσαν πως η βαρυτική αλληλεπίδραση της συμβατικής ύλης δεν μπορεί να εξηγήσει την κίνηση των γαλαξιών.

Από τότε, μέσω αστρονομικών παρατηρήσεων, έχει υπολογιστεί πως η κανονική ύλη αναλογεί μόλις στο 16% της μάζας του σύμπαντος, με το υπόλοιπο 84% να αντιστοιχεί στη μυστηριώδη και «εξωτική» ύλη, η οποία ονομάζεται σκοτεινή επειδή δεν εκπέμπει ορατό φως ή άλλου είδους ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με συνέπεια να μην είναι «ορατή» από κάποιο αστρονομικό όργανο.

Παρ’ όλο που έχουν διατυπωθεί διάφορες ιδέες για τη φύση της, η πιο αποδεκτή είναι πως αποτελείται από σωματίδια WIMP (Weakly Interacting Massive Particles, ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζα), υποθετικά σωματίδια τα οποία αλληλεπιδρούν μέσω της ασθενούς πυρηνικής δύναμης και της βαρύτητας, όχι όμως και του ηλεκτρομαγνητισμού και της ισχυρής πυρηνικής δύναμης.

In astrophysics, weakly interacting massive particles or WIMPs, are hypothetical particles serving as one possible solution to the dark matter problem.

Οι ιδιότητες των WIMP θυμίζουν αρκετά τα νετρίνια, με τη διαφορά ότι έχουν μεγαλύτερη μάζα και κινούνται πιο αργά, ενώ η ύπαρξή τους προβλέπεται από την υπερσυμμετρία – μια προτεινόμενη ιδιότητα του σύμπαντος, σύμφωνα με την οποία σε κάθε γνωστό στοιχειώδες σωμάτιο του Καθιερωμένου Προτύπου αντιστοιχεί και ένας υπερσυμμετρικός «σύντροφος», με διαφορετικό σπιν.

Επειδή η θεωρία προβλέπει πως τα WIMP διαπερνούν την ύλη σχεδόν ανεπηρέαστα, η συντριπτική πλειονότητά τους θα φτάνει στο υπόγειο εργαστήριο χωρίς να αλληλεπιδρά με την υπερκείμενη μάζα του βουνού. Εκεί, οι επιστήμονες έχουν εγκαταστήσει μια δεξαμενή όγκου 1,2 κυβικών μέτρων, γεμάτη με το χημικό στοιχείο ξένο σε υγρή μορφή.

Έτσι, αν υπάρχουν τα σωμάτια, ορισμένα από αυτά θα συγκρούονται με άτομα ξένου, με συνέπεια να διεγείρονται τα άτομα και να εκπέμπουν ηλεκτρόνια και φωτόνια, τα οποία θα καταγράφουν ειδικοί ανιχνευτές.

Design of the PandaX stage-1a TPC integrated with the inner vessel.

Από αυτές τις δύο εκπομπές, οι επιστήμονες θα μπορούν να υπολογίσουν τα σημεία των συγκρούσεων και τις ταχύτητες που απέκτησαν τα άτομα, δύο δεδομένα με βάση τα οποία θα μπορούν να εξακριβώσουν αν η διέγερση του υλικού της δεξαμενής προήλθε όντως από την αλληλεπίδραση με σωμάτια WIMP ή με ραδιενέργεια του περιβάλλοντος και την κοσμική ακτινοβολία.

Δύο παράγοντες που έχουν προσπαθήσει να αποκλείσουν με την επιλογή του συγκεκριμένου σημείου για το πείραμα, καθώς το υπερκείμενο βουνό θα φιλτράρει την κοσμική ακτινοβολία, ενώ η περιεκτικότητά του σε ραδιενεργά ορυκτά είναι πολύ μικρή, αφού αποτελείται κυρίως από μάρμαρο.

Η ιδιαιτερότητα που έχει η εν λόγω τοποθεσία, μαζί με τη γεωμετρία του μηχανήματος και τα υλικά κατασκευής τους, είναι πλεονεκτήματα που κάνουν τους Κινέζους ερευνητές να ελπίζουν πως θα βρουν την άκρη του νήματος της «σκοτεινής ύλης».