W opuszczonej kopalni złota położonej jedną milę od Leed w Południowej Dakocie inżynierowie i fizycy z Uniwersytetu Wisconsin-Madison pracują nad komorą zawierającą 10 ton płynnego ksenonu. Mają nadzieję, że w podziemnej kopalni, gdzie przestrzeń eksperymentalna będzie chroniona przed cząstkami słonecznymi i promieniowaniem kosmicznym, po raz pierwszy będą mogli wykryć ciemną materię.
Opublikowaliśmy już szczegółową analizę tego, czym może być tajemnicza ciemna materia z punktu widzenia współczesnej fizyki. Początkowa hipoteza pojawiła się w latach trzydziestych XX wieku, kiedy astronomowie zdali sobie sprawę, że galaktyce brakuje siły grawitacji, aby zachować swoją strukturę tylko ze względu na jej widoczne źródła - gwiazdy, planety, czarne dziury itp. do tej pory nie udało się go wykryć, jego istnienie wywnioskowano jedynie za pomocą grawitacyjnych modeli matematycznych. Jednak astronomowie uważają, że w rzeczywistości we Wszechświecie może być pięć razy więcej ciemnej materii niż materii widzialnej. Zespół UW-Madison postanowił zakończyć tę niepewność.
Eksperyment w kopalni złota w Dakocie Południowej nazywa się LUX-ZEPLIN lub w skrócie LZ. Jest to rozszerzona wersja poprzedniego eksperymentu Large Underground Xenon (LUX) i programu ciemnej materii ZEPLIN. Chodzi o to, aby wykryć cząstkę ciemnej materii, gdy oddziałuje ona z atomem ksenonu, powodując reakcję łańcuchową w komorze, która ostatecznie wyrzuci światło ultrafioletowe i uwolni zaporę elektronów. Natychmiast po zapłonie ciekłego ksenonu, gaz ksenonowy w komorze nad nim zareaguje, emitując elektrony i emitując drugi, jaśniejszy impuls światła. Fizycy pracujący nad projektem opisują go jako „dzwonek”, który zadzwoni, gdy zostanie wystawiony na działanie cząstki ciemnej materii.
„Cząstki ciemnej materii mogą znajdować się w tym pomieszczeniu, przechodzić przez głowę i czasami zderzać się z niektórymi atomami” - powiedział w komunikacie prasowym Duncan Carlsmith, profesor fizyki na UW-Madison.
Schematyczne przedstawienie podziemnego laboratorium LUX-ZEPLIN
Wcześniej w tym miesiącu Departament Energii zatwierdził końcowe etapy budowy LZ w kopalni złota, oficjalnie nazwanej Sanford Underground Research Center. W międzyczasie naukowcy pracują nad mniejszym prototypowym urządzeniem, aby zapewnić, że kiedy „duży” LZ wystartuje w 2020 roku, nie będzie podatny na zakłócenia.
Aby upewnić się, że nic oprócz ciemnej materii oddziałuje z ciekłym ksenonem, zespół buduje dwie zewnętrzne komory zaprojektowane do wykrywania i usuwania wszelkich zanieczyszczających cząstek. Komora zostanie wypełniona 10 tonami ciekłego ksenonu oraz ponad 500 fotopowielaczami - lampami próżniowymi, które są ultraczułymi detektorami światła i będą monitorować LZ. Jeśli cokolwiek innego niż ciemna materia rozbije resztę ksenonu, detektory będą musiały pokazać, że jest to fałszywy alarm.
Film promocyjny:
Gdy tylko instalacja w podziemnej kopalni będzie gotowa i eksperyment zostanie uruchomiony, pozostaje tylko czekać. Fizycy będą poszukiwać słabo oddziałujących masywnych cząstek lub WIMPów, które są hipotetycznymi elementami budulcowymi ciemnej materii. Uważa się, że przez większość czasu WIMP przechodzą przez zwykłą materię bez śladu, ale czasami zderzają się ze zwykłymi cząstkami.
Uczestnicy projektu LUX-ZEPLIN zmontowali miniaturową kopię przyszłej instalacji. Przed przeprowadzeniem globalnego eksperymentu musisz przetestować go na mniejszym i droższym modelu.
LZ pozostanie włączony przez co najmniej pięć lat, ale wszyscy mają nadzieję, że będzie w stanie wykryć WIMP po raz pierwszy lub w inny sposób wykluczyć je jako eteryczną substancję, która tworzy ciemną materię. Inne eksperymenty w IceCube Center for Particle Astrophysics w Wisconsin, a także projekty we Włoszech i Chinach, prowadzą własne eksperymenty, aby znaleźć bezpośrednie dowody na istnienie ciemnej materii. Fizycy z UW-Madison używają również Wielkiego Zderzacza Hadronów, próbując wykryć ciemną materię, która powstaje, gdy zderzają się cząstki o wysokiej energii. Wyścig dla odkrywców ciemnej materii trwa!
Jeśli uda nam się znaleźć i zmierzyć tę substancję, uzyskamy lepsze zrozumienie działania wszechświata niż kiedykolwiek wcześniej. Możliwe, że ciemna materia stanowi ponad 25 procent całego kosmosu, a gdy odkryjemy specyficzne właściwości materiału, może ujawnić sekrety, które od dawna pozostawały przed nami ukryte.