Materia Intunecata Wimp

Ascult�nd soaptele materiei �ntunecate Imprimare Scris sau tradus de Liviu-Andrei Troaca-Luchici 29 July 2007

E-mail

Jodi Cooley lucreaza la o jumatate de mila sub pam�nt, �ntr-o mina scoasa din activitate acum 40 de ani. Un lift care zdranganeste o duce la lucru, 27 de etaje �n subteran. Calatoria p�na �n mina dureaza 5 minute, �ntr-un intuneric total. �n mina traieste si o colonie de lilieci. �Pentru cineva sensibil�, spune Cooley,� nu este cel mai bun mediu de lucru�. C�nd este �n tura, �si petrece 10 ore pe zi �n mina, 10 zile la r�nd. �ncerc�nd sa gaseasca un nou tip de particule, Cooley asculta soaptele materiei �ntunecate. Imaginile din acest articol sunt produse de Sandbox Studios. Experimentul subteran la care lucreaza, �n colaborare cu alti 60 de fizicieni si ingineri, este cautarea cea mai susceptibila din lume de a descoperi particule care au fost doar teoretizate. Cautarea criogenica a materiei �ntunecate (Cryogenic Dark Matter Search, CDMS) foloseste detectoare racite p�na aproape de cele mai scazute temperaturi posibile, minus 273 de grade Celsius, pentru �a asculta� vibratiile cauzate de aceste particule venite din spatiul cosmic. Descoperirea acestora ar revolutiona viziunea noastra asupra Universului. Pentru Cooley, doctorand la Universitatea Stanford, o zi la Laboratorul subteran Soudan, din Minnesota �ncepe cu o ceasca de cafea. Dupa o �nt�lnire telefonica cu Dan Bauer, cel care conduce activitatile CDMS, ea si partenerul ei de tura �si petrec restul zilei monitoriz�nd sistemul de racire al experimentului, detectoarele, si componentele electronice. Cooley, vorbind la telefon, din mina, spune ca ea nu este niciodata plictisita. �Chiar si c�nd lucrurile merg cum ar trebui, aici jos putem sa ne gasim tot timpul ceva de lucru�, spune ea. �Nu poate fi vorba de lipsa de activitate�. Misterioasa materie �ntunecata Observatiile astronomice facute �n ultimii 10 ani ne spun ca o mare parte din Univers este tinuta �mpreuna de o forma de materie pe care nu o putem vedea, materia �ntunecata. �n particular, cercetatorii au descoperit ca galaxiile se rotesc mult mai repede dec�t daca materia luminoasa, materia continuta �n stele, ar fi fost singura materie existenta �n galaxii. Materia luminoasa (cea la care ne referim ca materie �obisnuita�) reprezinta mai putin de o cincime din masa totala a Universului. Restul este reprezentat de misterioasa materie �ntunecata. Daca materia �ntunecata ajuta sa tina la un loc materia luminoasa �n galaxii, atunci galaxiile trebuie sa fie locurile unde materia �ntunecata s-a adunat. Noi, locuitori ai Caii Lactee, poate ca plutim printr-un nor de materie �ntunecata chiar �n acest moment. Dar din ce este aceasta facuta? Cercetatorii nu stiu �nca daca materia �ntunecata este constituita dintr-unul sau mai multe tipuri de particule. Teoreticienii au propus c�tiva candidati pentru particulele materiei �ntunecate. P�na acum, interactiunea materiei �ntunecate cu gravitatatia este singurul nostru indiciu legat de existenta ei. Din fericire, aceasta ofera experimentelor un punct de plecare. �n ciuda misterului creat �n jurul materiei �ntunecate, conceptul experimental de detectare a interactiunilor acesteia cu materia normala este surprinzator de simplu. Daca materia �ntunecata poate sa exercite forte gravitationale, �nseamna ca ea are masa. O particula care are masa poate sa loveasca o particula de materie obisnuita, precum nucleul unui atom. Impactul acestei coliziuni va provoca nucleului un recul, adica acesta este �mpins din locul sau si apoi revine �napoi.

Vibratiile produse de aceasta miscare de recul produc o miscare mica si tacuta, iar detectarea acestor vibratii ar reprezenta detectarea directa a materiei �ntunecate �n experimente ca CDMS. Cea mai mare provocare este sa triem semnalele create de particulele obisnuite de materie, precum cele create �n dezactivarea radioactiva a substantelor radioactive si cele create de razele cosmice care lovesc Pam�ntul, aceste semnale fiind numite de cercetatorii CDMS ca si ca zgomot (background). Structura experimentului CDMS este un pas important peste celelalte experimente �Detectoarele din componenta CDMS sunt cele mai bune la discriminarea semnalelor cautate (semna) fata de a celor de fundal care sunt foarte asemanatoare cu cele cautate (zgomot)�, spune Bauer, coordonatorul acestui experiment. ��nainte sa anuntam o descoperire, lumea va dori sa fie sigura ca detectam materie �ntunecata, iar nu zgomot�. Un loc tacut pentru a asculta Cei opt sute de metri de roca de deasupra laboratorului din Soudan, Minnesota, SUA protejeaza detectoarele experimentelor prin absorbtia radiatiei cosmice aproape �n totalitate. Plumbul folosit �n materialul de protectie, recuperat de la o nava care s-a scufundat pe coasta Frantei acum doua secole, protejeaza detectorele de radiatia generata de depunerile radioactive din rocile �nconjuratoare. �n timp ce plumbul obisnuit este si el un scut bun, contine totusi o cantitate mica, dar neneglijabia, de izotopi radioactivi, carora le trebuie aproximativ 100 de ani sa se dezintegreze. Prin urmare, folosirea plumbului vechi este un pas aditional facut de cercetatorii CDMS pentru a reduce semnale de zgomot. �n ciuda acestor precautii, detectoarele CDMS tot mai �nregistreaza semale de zgomot de la radiatiile gamma, electroni si protoni. Din fericire, aceste particule comune sunt usor de identificat �n timp ce patrund �n detectoare, las�nd o urma de ionizare de gaz. Particulele de materie �ntunecata ar lasa urme mult mai subtile. Pentru ca cercetatorii �sa auda� o particula de materie �ntunecata, aceasta trebuie sa loveasca un atom din unul din cristalele aflate �n inima detectoarelor CDMS. Cristalele sunt pastrate la o temperatura scazuta, aproape de zero absolut-, pentru a reduce miscarea atomilor si a pastra �linistea� �n cristale. Detectorii �asculta� vibratiile din interiorul cristalului, asa cum urechile asculta vibratiile din aer. Detectoarele contin doua tipuri de cristale, facute ori din germaniu, ori din siliciu. Un atom de germaniu este mai mare dec�t unul de siliciu; nucleul sau are 73 de protoni si neutroni, in comparatie cu cel de siliciu care are 28. Aceasta diferenta de marime ajuta CDMS sa filtreze o alta sursa pentru zgomot, anume neutronii. Caci neutronii pot fi produsi de razele cosmice de energie ridicata si de dezintegrarea substantelor radioactive din materia care �nconjoara detectoarele. Lovind atomii din cristale, acesti neutroni produc �n detectoare un �sunet� similar cu cel asteptat de la materia �ntunecata. Cercetatorii CDMS stiu cum sa distinga sunetele acestor doi clopotei. Neutronii interactioneaza cu nucleele prin intermediul fortei nucleare tari. Pe masura ce strabat cristalele CDMS, neutronii se ciocnesc la fel de des de nuclee de siliciu ca cum o face pe cei de germaniu. Spre deosebire de aceasta tipul de particula de materie �ntunecata pe care CDMS o cauta, numita si o particula masiva care intractioaza slab, �n engleza weakly interacting massive particle (WIMP), este imuna la forsa nucleara tare. Potrivit predictiilor teoriei supersimetriei,

particulele WIMP ar lovi atomi mari de germaniu mai des dec�t pe cei de siliciu. �n munca lor de detectivi, cercetatorii se bazeaza pe �nca un indiciu. Neutronii au sansa sa se ciocneasca de c�teva ori cu nuclee, produc�nd semnale �n mai multe detectoare. �n contrast, o particula de materie �ntunecata probabil ca nu ar face niciodata asta. O nota singuratica �n timpul care s-a scurs din februarie p�na �n august 2004, experimentul CDMS a �nregistrat un singur eveniment care se �ncadra �n intervalul unde se astepta semnalul pentru materia �ntunecata. �Ar fi fost foarte interesant sa vedem doua sau trei evenimente,� spune Bauer. �Am calculat nivele zgomotului si nu am fost chiar surprinsi sa vedem un singur eveniment�. Dupa ce am analizat evenimentul �n detaliu, am descoperit cauza: detectorul avea probleme. �Chiar daca ne-am convins ca aceasta a fost o �nregistrare a materiei �ntunecate�, spune Bauer,� nu poti aparea �n fata lumii si sa anunti ca am descoperit materia �ntunecata�. Cu problemele detectoarelor rezolvate si cu si mai multe alte detectoare instalate, colaborarea CDMS a �nceput o lunga perioada de prelevare de date, care a �nceput �n octombrie 2006 si este planificata sa se �ncheie �n trei ani. Cel mai popular model de supersimetrie prevede ca CDMS va �nregistra sapte evenimente cu materie �ntunecata �n toata aceasta perioada. �Asteptam acea perioada cu nerabdare aici,� declara Bauer. �Aceasta ar fi suficient pentru a putea declara, �Da, am gasit un semnal��. Pentru o lunga perioada de timp, studiul materiei �ntunecate a fost doar �locul de joaca al teoreticienilor�, spune Scott Dodelson, director al Departamentului de Astrofizica Teoretica de la Fermilab. �Dar acum subiectul este �ntesat si cu experimente.� Daca CDMS sau oricare alt experiment gaseste semnale ale materiei �ntunecate, lumea fizicii ar fi stupefiata. �Ar fi fantastic,� declara Dodelson. �Daca detectam materia �ntunecata, o idee promitatoare se va transforma �ntr-un element real�. Descoperirea acestor particule noi ar fi �nceputul unei noi ere de cercetare. �Cautam cu disperare dupa fizica din afara Modelului Standard,� spune Dodelson, explic�nd faptul ca modelul actual al fizicii particulelor elementare nu include si existenta particulelor de materie �ntunecata. �Descoperirea ne-ar arata si tipul urmatorului nivel al structurii Univesrului. Implica acesta supersimetria? Dar dimensiuni suplimentare? Aceasta ar motiva cercetarea �n fizica pentru urmatorul secol.� Mina din Sudan va fi gazda pentru CDMS doar pentru �nca foarte putini ani. Urmatoarea faza a experimentului, SuperCDMS, va avea loc la 2.4 km �n subteran �n laboratorul canadian SNOLab. Localizat �ntr-o mina de nichel din Sudbury, Ontario, SNOLab este laboratul care functioneaza la cea mai mare ad�ncime din lume. Este plasat de 3 ori mai ad�nc dec�t cel din mina Soudan, oferind astfel o mai buna protectie �mpotriva radiatiilor cosmice. Detectoarele SuperCDMS vor fi de 2.5 ori mai mari dec�t cele folosite �n experimentul aflat acum �n desfasurare, oferind astfel o tinta mai mare pentru particulele de materie �ntunecata. Instalarea echipamentelor necesare experimentului este programata pentru 2008, iar colectarea de date va �ncepe �n

2010. Descoperirea poate veni pe mai multe cai Modul de lucru al CDMS, detectarea directa a particulelor, este unul din cele trei moduri �n care fizicienii cauta materia �ntunecata. �n experimentele de detectarea indirecta, cercetatorii folosesc telescoape pentru a privi cerul �n vederea observarii unor fenomene cauzate de materia �ntunecata. Coliziunea particulelor la acceleratoare de particule este o a treia metoda, �n care experimentatorii �ncearca sa produca materia �ntunecata �n mod arficial. Combinarea diferitelor rezultate din cele trei metode ar putea constitui cheia ce deschide misterul materiei �ntunecate. Cautarile indirecte �ncearca sa observe semne ale anihilarii materiei �ntunecate, cum ar fi radiatiile gamma, neutrini si un exces de particule de antimaterie. Aceste cercetari �ndreapta telescoapele spre portiuni ale Universului unde particulele de materie �ntunecata este posibil sa se fi adunat si sa fi fost destul de prolifice pentru a se ciocni, cum ar fi �n centrul unei galaxii sau �n centrul Soarelui. Daca un detector observa radiatii gamma care nu pot fi explicate �n alt mod, semnalul poate indica o zona cu o densitate ridicata de materie �ntunecata, oferind astfel informatii despre cum este distribuita materia �ntunecata. �n prezent, savantii cred ca materia �ntunecata se combina �n formatiuni mari, dar distributia sa este posibil sa fie neuniforma. �n orice caz, natura experimentelor de detectare indirecta face dificil a spune exact daca materia �ntunecata este adevarata origine a semnalelor observate. Din moment ce cunostintele noastre de astrofizica sunt incomplete, cum pot cercetatorii sa fie siguri ca un semnal nu poate fi explicat si �ntr-un alt fel? Coliziunea de particulel �n acceleratoare de particule prezinta singura modalitate de a produce materie �ntunecata �n laborator si de a studia natura acesteia �n profunzime. Folosind acceleratoare, savantii poate vor putea crea si analiza multe din aceste particule. Modelele teoretice sugereaza ca acceleratorul Tevatron de la Fermilab sau acceleratorul Large Hadron Collider de la CERN sau acceleratorul propus, International Linear Collider, pot produce particule de materie �ntunecata. Masinile acestea vor putea permite masurarea masei si a altor proprietati ale particulelor cu o precizie suficienta pentru ca savantii sa poata identifica teoria corecta care descrie aceste particule. Oricum, �n acest moment de rascruce, experimentele de detectare directa sunt cruciale pentru a maximiza sansa noastra de a descoperi particule de materie �ntunecata, si cercetatorii de la CDMS s-ar putea sa fie primii care sa anunte descoperirea. Lucr�nd la 800 de metri �n subteran, ascult�nd cu atentie, Bauer, Cooley si colegii lor este posibil sa auda primele soapte ale materiei �ntunecate. Lovind un atom �n interiorul unui cristal, o particula de materie �ntunecata va provoca vibratii, similar cu sunetul unui clopotel. Savantii CDMS pot distinge �sunetul� de vibratiile cauzate de alte particule care treverseaza cristalul, cum ar fi neutronii si razele cosmice. (Tradus de Liviu-Andrei Troaca-Luchici din revista "Symmetry", din decembrie 2006, originalul put�nd fi gasit aici,) Ultima actualizare ( 19 November 2007 )