Fizikai iš Brauno universiteto (Brown University, JAV) pasiūlė naują metodą, kaip būtų galima tiesiogiai aptikti tamsiąją materiją, kurios, manoma, yra bent penkis kartus daugiau, nei įprastinės materijos.
Tamsioji materija nespinduliuoja ir neatspindi elektromagnetinių bangų, o apie jos egzistavimą sprendžiama tik iš jos gravitacinio poveikio matomai medžiagai.
Teigiama, kad naujas būdas, kuriuo bus siekiama aptikti tamsiosios medžiagos dalelių sąveiką su superlaidaus helio atomais, turėtų būti daug jautresnis ir aptikti gerokai mažesnės masės daleles, nei iki šiol vykdyti eksperimentai.
„Daugumoje iki šiol vykdytų tamsiosios medžiagos tyrimų metu buvo ieškoma dalelių, kurių masė būtų nuo dešimties iki dešimties tūkstančių kartų didesnė už protono masę“, – teigė Derekas Steinas (Derek Stein), vienas iš šios idėjos autorių. „Tačiau šie eksperimentai nėra pakankamai jautrūs, kad galėtų aptikti daleles, kurių masė yra mažesnė, nei dešimties protonų masė. Tai, ką mes norime padaryti – tai padidinti eksperimentų jautrumą trimis ar keturiomis eilėmis, ir išsiaiškinti, ar tamsiosios medžiagos dalelės nėra gerokai lengvesnės“.
Nors tamsioji materija iki šiol nėra aptikta tiesiogiai, fizikai yra gana tikri, kad ji tikrai egzistuoja. Tai, kokiu greičiu sukasi galaktikos ir jos neišyra, kaip šviesa, sklindanti Visatoje, yra iškreipiama gravitacinių lęšių, rodo, kad turi egzistuoti nematoma medžiaga, kuri pasireiškia tik per gravitacinį poveikį, ir jos turi būti gerokai daugiau, nei įprastinės, matomos, materijos.
Tamsiosios materijos teorija teigia, kad, kaip ir įprastinė materija, ji turėtų būti sudaryta iš dalelių, kurios tik labai retai sąveikauja su įprasta medžiaga. Tačiau niekas nėra tikras, kokios galėtų būti tokios dalelės savybės, nes iki šiol nepavyko užregistruoti tamsiosios ir įprastinės medžiagų dalelių sąveikos.
Šio eksperimento autorių teigimu, tai yra rimta priežastis jos ieškoti kitame diapazone, o ne ten, kur buvo ieškoma iki šiol, laikant, kad tokia dalelė turėtų būti gerokai sunkesnė už protoną.
Pavyzdžiui, supersimetrijos teorija teigia, kad tamsiosios medžiagos dalelės turėtų būti šimtų protonų masių.
Siūloma naudoti supertakų helį – idėja yra ta, kad tamsiosios medžiagos dalelės, praeinančios per talpą su supertakiu ir tuo pačiu superlaidžiu heliu, labai retais atvejais turėtų pataikyti ir tiesiai į helio atomo branduolį. Šis susidūrimas generuotų fononus ir rotonus – mažus sužadinimus, panašius į garso bangas, kurios skistų heliu, neprarasdamos energijos. Kai tokie sužadinimai pasiektų skysčio paviršių, jie turėtų išmesi helio atomus į vakuumą virš jo. Tokių išlaisvintų atomų aptikimas ir būtų signalas, kad įvyko helio atomo ir tamsiosios medžiagos sąveika.
Tačiau kitas žingsnis yra sudėtingesnė eksperimento dalis. Mažos masės tamsiosios medžiagos dalelės susidūrimas gali išmesti tik vieną helio atomą. Jis turėtų būti vos milielektronvoltų energijos, todėl šiuolaikiniais metodais būtų praktiškai neįmanoma jo užregistruoti. Nauja eksperimente yra tai, kad siūlomas būdas, kaip gerokai padidinti šio atomo energiją, iki tokios, kuri leistų jį patikimai užregistruoti.
Siūloma virš helio paviršiaus patalpinti mažų teigiamai įkrautų metalinių adatėlių masyvą.
Teigiamai įkrauta dalėlė, prie kurios priartėtų helio atomas, išlėkęs iš skysto helio paviršiaus, iš jo atplėš elektroną – taip atsiras teigiamo krūvio helio jonas. Tuomet, kadangi to paties ženklo krūviai atstumia vienas kitą, toks jonas nulėks nuo adatėlės, turėdamas pakankamai energijos, kad jį jau būtų galima užregistruoti standartiniais kalorimetriniais matuokliais – įtaisais, kurie aptinka temperatūros pokytį, kai į jį patenka dalelė. Tyrėjai vertina, kad helio jonai galėtų įgyti iki dešimt tūkstančių elektronvoltų energijos. Toks jonizavimas leistų aptikti pavienius helio atomus, kurie gali būti susiję su tamsiosios ir įprastinės medžiagos sąveika.
Šis naujo tipo detektorius nebūtų pirmasis, kuriame būtų naudojamos supertakios atšaldytos dujos.
Neseniai vykdytame Didžiojo požeminio ksenono (Large Underground Xenon, LUX) eksperimente buvo naudojamos ksenono dujos. Pasak mokslininkų, helio panaudojimas būtų svarbus privalumas, ieškant dalelių, kurių masė yra mažesnė.
Kad susidūrimą būtų galima aptikti, į medžiagą krintančios dalelės masė turi būti panašios masės, kaip ir tos medžiagos atomų branduoliai. Jei krintanti yra daug mažesnė nei medžiagos branduolio masė, ji tiesiog atšoktų, medžiagoje nepalikdama jokių pėdsakų. Kadangi LUX eksperimentas yra skirtas dalelių, kurių masė yra daugiau kaip penkis kartus didesnė nei protonų, aptikimui, jame buvo naudotas ksenonas, kurio branduolys yra maždaug 100 protonų masės. Helio branduolio masė – tik keturis kartus didesnė nei protono, todėl jis labiau tinka mažesnės masės dalelių aptikimui.
Tačiau mokslininkai teigia, kad siūlomo eksperimento gebėjimas aptikti pavienius atomus, išmestus iš helio paviršiaus, yra dar svarbesnis. Toks jautrumas leistų įrenginiui aptikti ypač nedidelius energijos kiekius – tyrėjai mano, kad šis detektorius galės aptikti smūgį dalelių, kurių masė – iki dviejų elektronų masių, o tai nuo 1000 iki 10000 kartų lengvesnės dalelės, kurias iki šiol buvo mėginama aptikti tamsiosios medžiagos eksperimentuose.
Straipsnis, kuriame aprašomas naujasis detektorius, yra paskelbtas žurnale „Physical Review Letters“.
Humphrey J. Maris et al, Dark Matter Detection Using Helium Evaporation and Field Ionization, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.181303
Daugiau:
Sukurta nauja teorija, kuri paaiškina medžiagos masės „trūkumą“ Visatoje
„Mus domina tik geriausi, todėl esame čia, Lietuvoje“
Astrofizikas Jonas Žmuidzinas apie nematomą šviesą, tamsiąją medžiagą ir kitus dalykus
Jonas Žmuidzinas apie tamsiąją energiją, gravitonus ir pasitikėjimą savo jėgomis (2)