Ultimele căutări de materie întunecată îi lasă pe oamenii de știință cu mâinile goale

Oamenii de știință și-au pierdut ultima rundă de ascunselea cu materia întunecată, dar nu sunt în afara jocului.

În ciuda dovezilor copleșitoare că o formă exotică a materiei pândește nevăzută în cosmos, decenii de căutări nu au reușit să detecteze definitiv o singură particulă de materie întunecată. În timp ce unii oameni de știință continuă pe drumul unor detectoare din ce în ce mai mari concepute pentru a capta particulele, alții încep să ia în considerare un peisaj mai larg de posibilități pentru ceea ce ar putea fi materia întunecată.

„Am căutat în toți acești ani unde ne-a spus cea mai bună presupunere să căutăm și începem să ne întrebăm dacă poate am ghicit greșit”, spune astrofizicianul teoretician Dan Hooper de la Fermilab din Batavia, Illinois. „Oamenii tocmai deschid mintea lor la o gamă mai largă de opțiuni.”

Materia întunecată pătrunde în cosmos: materialul împiedică galaxiile să zboare și și-a lăsat amprentele în cea mai veche lumină din univers, fundalul cosmic cu microunde, care datează de la doar 380.000 de ani după Big Bang. Dovezile indirecte din influențele gravitaționale ale materiei întunecate arată că aceasta reprezintă cea mai mare parte a masei din univers. Dar oamenii de știință nu pot stabili ce este materia întunecată fără să o detecteze direct.

În noile rezultate publicate în august și septembrie, trei echipe de oameni de știință au venit cu mâinile goale, fără să găsească indicii de materie întunecată. Trioul de experimente a căutat o anumită varietate de materie întunecată – particule ipotetice cunoscute sub numele de WIMP, sau particule masive care interacționează slab, cu o gamă de mase posibile care începe de la câteva ori mai mare decât cea a unui proton. WIMP-urile, în ciuda numelui lor, sunt niște mari de materie întunecată – au fost de multă vreme explicația favorită pentru masa lipsă a universului. Se crede că WIMP-urile interacționează cu materia normală numai prin forța nucleară slabă și gravitația.

O parte a atractivității WIMP-urilor provine dintr-o teorie proeminentă, dar neverificată, supersimetria, care prezice în mod independent astfel de particule. Supersimetria presupune că fiecare particulă elementară cunoscută are un partener mai greu; cea mai ușoară particulă parteneră ar putea fi o materie întunecată WIMP. Dar dovezile pentru supersimetrie nu s-au concretizat în ciocnirile de particule la Large Hadron Collider din Geneva, așa că statutul favorit al supersimetriei se erodează (SN: 10/1/16, str. 12). Argumentele de supersimetrie pentru WIMP-uri devin astfel mai șocante – mai ales că WIMP-urile nu apar în detectoare.

Oamenii de știință caută de obicei WIMP-uri căutând interacțiuni cu materia normală din interiorul unui detector. Mai multe experimente actuale folosesc rezervoare de xenon lichefiat, un element găsit în urme în atmosfera Pământului, în speranța de a detecta cantitățile mici de lumină și sarcină electrică care ar fi eliberate atunci când un WIMP lovește un nucleu de xenon și îl face să se retragă.

Cele trei experimente cu xenon sunt experimentul Large Underground Xenon, sau LUX, situat în Sanford Underground Research Facility din Lead, SD; experimentul PandaX-II, situat în laboratorul subteran JinPing din China din Sichuan; și experimentul XENON100, situat în Laboratorul Național Gran Sasso din Italia. Echipele de oameni de știință din cele trei locații au raportat fiecare niciun semn de particule de materie întunecată. Experimentele sunt cele mai sensibile la particulele cu mase de aproximativ 40 sau 50 de ori mai mari decât cele ale unui proton. Oamenii de știință nu pot exclude complet WIMP-urile acestor mase, dar interacțiunile ar trebui să fie extrem de rare.

Povestea continuă după imagine

MAI BUN LUX DATA URMATOARE Detectorul LUX, prezentat mai sus, nu a reușit să detecteze materia întunecată prin interacțiuni cu xenonul lichid. O versiune completată a experimentului, cunoscută sub numele de LZ, va continua căutarea. CH Faham

În căutările inițiale, susținătorii WIMP-urilor se așteptau ca particulele să fie ușor de găsit. „S-a crezut că era de genul „OK, vom rula detectorul timp de cinci minute, vom descoperi materia întunecată și am terminat cu toții”, spune fizicianul Matthew Szydagis de la Universitatea din Albany din New York, membru al LUX. Asta s-a transformat în decenii de muncă grea. Pe măsură ce WIMP-urile continuă să nu apară, unii oameni de știință încep să devină mai puțin îndrăgostiți de particule și iau în considerare alte posibilități mai îndeaproape.

Un concurent alternativ al materiei întunecate care atrage acum mai multă atenție este axionul. Această particulă a fost propusă inițial cu zeci de ani în urmă ca parte a soluției la o dilemă de fizică a particulelor cunoscută sub numele de problema CP puternică – întrebarea de ce forța nucleară puternică, care ține particulele împreună în interiorul nucleului, tratează în mod egal materia și antimateria. Dacă materia întunecată constă din axioni, particula ar putea, prin urmare, să rezolve două probleme simultan.

Axionii sunt mici prăjiți pe măsură ce materia întunecată merge – pot fi la fel de mici ca o milioneme dintr-o miliardime din masa unui WIMP. Particulele interacționează atât de slab încât sunt extrem de greu de detectat. Dacă axionii sunt materie întunecată, „stai într-o mare densă și enormă de axioni și nici nu le observi”, spune fizicianul Leslie Rosenberg de la Universitatea Washington din Seattle, liderul experimentului Axion Dark Matter. După o actualizare recentă a experimentului, oamenii de știință ADMX caută axioni de materie întunecată folosind un câmp magnetic și echipamente speciale pentru a convinge particulele să se transforme în fotoni, care pot fi apoi detectați.

Deși WIMP-urile și axions rămân în fruntea lor, oamenii de știință încep să treacă dincolo de aceste două posibilități. Între axioanele cu greutate ca o penă și WIMP-uri uriașe se află o gamă largă de mase care nu au fost bine explorate. Teoriile preferate ale oamenilor de știință nu prezic particule de materie întunecată cu astfel de mase intermediare, spune fizicianul teoretician Kathryn Zurek de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley din California, dar asta nu înseamnă că materia întunecată nu a putut fi găsită acolo. Zurek susține o căutare diversă pe o gamă largă de mase, în loc să se concentreze pe o anumită teorie. „Detecția directă a materiei întunecate nu este unică pentru toate”, spune ea.

În două lucrări publicate în Scrisori de revizuire fizică pe 7 ianuarie și 14 septembrie, Zurek și colegii au propus utilizarea supraconductoarelor – materiale care permit energiei electrice să curgă fără rezistență – și superfluide, care permit fluidelor să curgă fără frecare, pentru a detecta particulele ușoare de materie întunecată. „Încercăm să lărgim cât mai mult posibil instrumentele de căutare a materiei întunecate”, spune Zurek. De asemenea, oamenii de știință cu viitorul experiment Super Cryogenic Dark Matter Search SNOLAB, care va fi localizat într-un laborator subteran din Sudbury, Canada, vor folosi detectoare din germaniu și siliciu pentru a căuta materie întunecată cu mase mai mici decât pot experimenta experimentele cu xenon.

Oamenii de știință nu au renunțat la experimentele cu xenon WIMP. În curând, unele dintre aceste experimente se vor extinde – trecând de la sute de kilograme de xenon lichid la tone – pentru a-și îmbunătăți șansele de a prinde o particulă de materie întunecată din zbor. Următoarea versiune a XENON100, experimentul XENON1T (pronunțat „XENON o tonă”) este aproape gata să înceapă să preia date. Experimentul de generație următoare al LUX, cunoscut sub numele de LUX-ZEPLIN sau LZ, este programat să înceapă în 2020. Oamenii de știință PandaX-II plănuiesc și o continuare. Fizicienii sunt încă optimişti că acești detectoare vor găsi în sfârșit particulele evazive. „Poate că vom avea ocazia să vedem ceva ce nimeni nu a văzut”, spune Xiangdong Ji de la Universitatea Jiao Tong din Shanghai, liderul PandaX-II. „Asta este atât de interesant.”

În marea nedetectărilor materiei întunecate, există o excepție flagrantă. De ani de zile, oamenii de știință cu experimentul DAMA/LIBRA de la Gran Sasso au susținut că văd semne de materie întunecată, folosind cristale de iodură de sodiu. Dar alte experimente nu au găsit semne ale materiei întunecate din DAMA. Mulți oameni de știință cred că DAMA a fost dezmințit. „Nu știu ce generează semnalul ciudat pe care DAMA îl vede”, spune Hooper. „Și acestea fiind spuse, nu cred că este probabil să fie materie întunecată.”

Dar alte experimente nu au folosit aceeași tehnologie ca DAMA, spune astrofizicianul teoretic Katherine Freese de la Universitatea din Michigan din Ann Arbor. „Nu există o explicație alternativă la care cineva să se poată gândi, așa că de aceea este încă foarte interesant.” Trei experimente viitoare ar trebui să închidă ușa misterului, prin căutarea materiei întunecate folosind iodură de sodiu, așa cum face DAMA: experimentul ANAIS din Laboratorul Subteran Canfranc din Spania, experimentul COSINE-100 de la Laboratorul Subteran YangYang din Coreea de Sud și experimentul SABRE, planificat pentru Stawell Underground Physics Laboratory din Australia.

Eforturile oamenilor de știință ar putea ajunge să fie în zadar; materia întunecată poate să nu fie deloc detectabilă direct. „Este posibil ca gravitația să fie singura lentilă cu care putem vedea materia întunecată”, spune Szydagis. Materia întunecată ar putea interacționa numai prin gravitație, nu prin forța slabă sau prin orice altă forță. Sau ar putea trăi în propriul „sector ascuns” de particule care interacționează între ele, dar în mare parte evită materia normală.

Chiar dacă nu sunt detectate particule în curând, majoritatea oamenilor de știință rămân convinși că există o formă nevăzută de materie. Nicio teorie alternativă nu poate explica toate observațiile cosmologice ale oamenilor de știință. „Ființa umană nu va renunța mult, mult timp să încerce să caute materia întunecată, pentru că este o problemă atât de mare pentru noi”, spune Ji.