Νέοι ανιχνευτές ελαφρών σωματιδίων σκοτεινής ύλης. New detectors allow search for lightweight dark matter particles

By carefully re-engineering a detector for heavy dark matter particles, so-called WIMPS, the CRESST collaboration succeeded in improving the detector to measure lightweight dark matter particles with masses in the range of a proton mass. Credit: Max Planck Institute for Physics

Η Γη, οι πλανήτες, τα άστρα και οι γαλαξίες αποτελούν το μόνο ορατό μέρος της ύλης στο σύμπαν, όμως το μεγαλύτερο ποσοστό της ύλης του σύμπαντος είναι η αορατη «σκοτεινή ύλη».

Οι επιστήμονες συνεχίζουν να ψάχνουν για τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης με πολυάριθμα πειράματα – αλλά μάταια μέχρι τώρα.

Ιn the Grand-Sasso underground laboratory in Italy, scientists are trying to learn more about the nature of the so-called dark matter. Credit: Max Planck Institute for Physics

Με το πείραμα CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers), η ακτίνα αναζήτησης μπορεί πλέον να διευρυνθεί σημαντικά: Οι αναβαθμισμένοι ανιχνευτές CRESST είναι σε θέση να ανιχνεύσουν σωματίδια των οποίων η μάζα βρίσκεται κάτω από το μέχρι τώρα εύρος μετρήσεων. Ως εκ τούτου, η πιθανότητα εντοπισμού της σκοτεινής ύλης αυξάνεται.

Θεωρητικά μοντέλα και αστροφυσικές παρατηρήσεις δεν αφήνουν σχεδόν καμιά αμφιβολία ότι η σκοτεινή ύλη υπάρχει, και μάλιστα είναι πέντε φορές περισσότερη από την ορατή ύλη.

Σύμφωνα με τους ερευνητές του πειράματος CRESST, «μέχρι στιγμής πιθανός υποψήφιος για το σωματίδιο σκοτεινής ύλης πιστεύεται ότι είναι ένα βαρύ σωματίδιο, το αποκαλούμενο WIMP (Weakly Interacting Massive Particle)». Έτσι τα περισσότερα από τα σημερινά πειράματα ψάχνουν σε ένα εύρος μαζών από 10 και 1000 GeV/c2. Το τωρινό κατώτατο όριο των 10 GeV/c2 αντιστοιχεί περίπου στη μάζα ενός ατόμου άνθρακα.

Όμως πρόσφατα, διατυπώθηκαν νέα θεωρητικά μοντέλα που λύνουν διάφορα προβλήματα που προέκυπταν στις προσομοιώσεις σκοτεινής ύλης στους γαλαξίες. Πολλά από αυτά τα μοντέλα υπαινίσσονται υποψήφια σωματίδια σκοτεινής ύλης με μικρότερη μάζα από τα παραδοσιακά WIMPs.

Τώρα με το πείραμα CRESST επιτυγχάνεται ένα σημαντικό βήμα προς τον εντοπισμό πιθανών ελαφρύτερων σωματιδίων σκοτεινής ύλης: οι ερευνητές του πέτυχαν ένα κατώφλι ενέργειας 307 eV. Ο ανιχνευτής αυτός διαθέτει πολύ μεγάλη ευαισθησία και είναι ο καταλληλότερος για μετρήσεις μεταξύ 0,5 και 4 GeV/c2.

Έτσι, είναι δυνατή η ανίχνευση σωματιδίων πολύ ελαφρύτερων σωματιδίων σε σχέση με τα WIMPs, όπως για παράδειγμα πιθανά σωματίδια σκοτεινής ύλης με μάζα της τάξης του πρωτονίου, 0,94 GeV/c2.

Οι επιστήμονες του CRESST θα εξοπλίσουν το πείραμα με νέους ανιχνευτές και ο επόμενος κύκλος μετρήσεων αναμένεται να ξεκινήσει στα τέλη του 2015 και θα διαρκέσει από ένα έως δύο χρόνια.

Schematic Drawing of the CRESST Setup (© MPI für Physik).

Το κεντρικό τμήμα όλων των ανιχνευτών CRESST είναι ένας κρύσταλλος από βολφραμικό άλας του ασβεστίου, CaWO4. Όταν ένα σωματίδιο χτυπήσει κάποιο από τα άτομα που αποτελούν τον κρύσταλλο (ασβέστιο, βολφράμιο ή οξυγόνο), οι ανιχνευτές μετρούν ταυτόχρονα την ενέργεια και τα φωτεινά σήματα που παράγονται από την σύγκρουση, παρέχοντας έτσι πληροφορίες σχετικά με τη φύση του σωματιδίου πρόσκρουσης.

Για μεγαλύτερη απόδοση οι μονάδες του ανιχνευτή ψύχονται σχεδόν μέχρι το απόλυτο μηδέν (-273,15 βαθμούς C) και για την εξάλειψη των ενοχλητικών γεγονότων υποβάθρου, οι επιστήμονες του CRESST χρησιμοποίησαν υλικά με μικρή φυσική ραδιενέργεια. Επιπλέον, το πείραμα βρίσκεται σε μεγαλύτερο υπόγειο εργαστήριο του κόσμου, στο Gran Sasso στην Ιταλία, και ως εκ τούτου είναι ιδιαίτερα προστατευμένο από τις κοσμικές ακτίνες.

Nearly one and a half kilometers of rock sorround the the CRESST Experiment at Gran Sasso in Italy. Here, physicists from around Europe are searching for a new form of matter, the Dark Matter. It is believed to consists of so-called WIMPs, weakly interacting massive particles produced in the early universe and still present today. Only highly sensitive detectors are able to record the rare event of an interaction of a WIMP with ordinary matter. At the Max Planck Institute for Phyics in Munich scientists develop and test new detectors.

Το πείραμα CRESST θα λειτουργήσει στο μέλλον με μικρότερους και – σε σύγκριση με τα υλικά που διατίθενται στο εμπόριο – υπερκαθαρούς κρυστάλλους. Με το μειωμένο μέγεθος μπορεί να επιτευχθεί ένα χαμηλότερο κατώφλι ενέργειας. Αυτοί οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου και εμφανίζουν εξαιρετικά χαμηλή φυσική ραδιενέργεια, καθιστώντας το πείραμα πιο ευαίσθητο.

Η ακρίβεια των φωτοανιχνευτών έχει βελτιστοποιηθεί, έτσι ώστε οι συγκρούσεις των ήδη γνωστών σωματιδίων να διακρίνονται σαφέστερα από τις συγκρούσεις των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης.

Πηγή: Results on light dark matter particles with a low threshold CRESST-II detector, The European Physical Journal C, Sept 2015. arxiv.org/abs/1509.01515