Βαθιά κάτω από την επιφάνεια της Γης, ένα σημαντικό πείραμα φυσικής πέτυχε ένα κρίσιμο ορόσημο, επιτρέποντας σε ανιχνευτές να λειτουργούν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Πολύ κάτω από την επιφάνεια ενός καναδικού ορυχείου, οι επιστήμονες έδωσαν ζωή σε ένα από τα πιο ψυχρά πειράματα που έχουν κατασκευαστεί ποτέ.
Το πείραμα SuperCDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search) έφτασε πλέον στη θερμοκρασία λειτουργίας του, επιτρέποντας στους ανιχνευτές του να ενεργοποιηθούν επιτέλους και να αρχίσουν να διερευνούν ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της φυσικής. Σε θερμοκρασία μόλις λίγων χιλιοστών του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, το σύστημα είναι κατά πολύ ψυχρότερο από το βαθύ διάστημα.
Σε αυτές τις θερμοκρασίες, η κίνηση που προκαλείται από τη θερμότητα στο εσωτερικό των υλικών σχεδόν εξαφανίζεται, δημιουργώντας ένα περιβάλλον αρκετά “ήσυχο” ώστε να ανιχνεύονται απειροελάχιστα σήματα που διαφορετικά θα χάνονταν.
Αυτό το ορόσημο σηματοδοτεί τη μετάβαση από τα χρόνια της κατασκευής στην έναρξη των επιστημονικών λειτουργιών. Με τους ανιχνευτές πλέον ενεργούς, οι ερευνητές ετοιμάζονται να εξερευνήσουν ένα μέρος του σύμπαντος που δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ άμεσα. Το πείραμα έχει σχεδιαστεί για να ανιχνεύει μυστηριώδη σωματίδια σκοτεινής ύλης.
Από την κατασκευή στην αναζήτηση: Το κυνήγι της σκοτεινής ύλης ξεκινά
Η σκοτεινή ύλη αποτελεί περίπου το 85% όλης της ύλης στο σύμπαν, ωστόσο δεν έχει ανιχνευθεί ποτέ άμεσα. Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι υπάρχει από τις βαρυτικές της επιδράσεις στους γαλαξίες, αλλά η πραγματική της φύση παραμένει άγνωστη.
Εάν σωματίδια σκοτεινής ύλης διέρχονται από τη Γη, όπως υποδηλώνουν τα τρέχοντα μοντέλα, πειράματα όπως το SuperCDMS είναι σχεδιασμένα να “συλλάβουν” τις σπάνιες στιγμές που ένα από αυτά αλληλεπιδρά με την κοινή ύλη.
«Η επίτευξη της θερμοκρασίας βάσης αποτελεί σημαντικό ορόσημο σε μια πολυετή εκστρατεία για την κατασκευή μιας εγκατάστασης χαμηλού υποβάθρου, ικανής να στεγάσει τους ευαίσθητους κρυογονικούς ανιχνευτές στερεάς κατάστασης που διαθέτουμε», δήλωσε η Priscilla Cushman, καθηγήτρια στη Σχολή Φυσικής και Αστρονομίας του Πανεπιστημίου της Μινεσότα και εκπρόσωπος του SuperCDMS.
«Σε αυτές τις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, οι εγκατεστημένοι ανιχνευτές μας μπορούν πλέον να σαρώσουν μια εντελώς νέα περιοχή του χώρου παραμέτρων, όπου ενδέχεται να παραμονεύουν τα ελαφρύτερα σωματίδια σκοτεινής ύλης».
Σχεδιάζοντας ένα περιβάλλον χαμηλού υποβάθρου
Η ομάδα του Πανεπιστημίου της Μινεσότα σχεδίασε, προμηθεύτηκε και συναρμολόγησε ένα σύστημα θωράκισης που προστατεύει τους ανιχνευτές από ίχνη ακτινοβολίας και νετρόνια που δημιουργούνται από την αλληλεπίδραση των κοσμικών ακτίνων με τα τοιχώματα του σπηλαίου. Η δομή είναι ένα κυλινδρικό περίβλημα ύψους τεσσάρων μέτρων και διαμέτρου τεσσάρων μέτρων.
Είναι κατασκευασμένο με στρώματα εξαιρετικά καθαρού μολύβδου για τον αποκλεισμό της ακτινοβολίας γάμμα και πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας για τη μείωση της δραστηριότητας των νετρονίων. Εκτός από τη συμβολή τους στην εγκατάσταση και την ψύξη του πειράματος, οι ερευνητές του πανεπιστημίου έχουν αναπτύξει προηγμένους αλγορίθμους ανακατασκευής και μεθόδους ανάλυσης για τον γρήγορο εντοπισμό πιθανών σημάτων σκοτεινής ύλης, μόλις ξεκινήσει η συλλογή δεδομένων τους επόμενους μήνες.
Η ομάδα διαδραματίζει ηγετικό ρόλο στην επιστημονική προσπάθεια, υποστηριζόμενη από τον Επίκουρο Καθηγητή της Σχολής Φυσικής και Αστρονομίας, Yan Liu, ο οποίος εκτελεί χρέη προέδρου της Ομάδας Εργασίας Ανάλυσης.
Βαθιά κάτω από τη γη για μετρήσεις ακριβείας
Το SuperCDMS βρίσκεται στο SNOLAB, μια ερευνητική εγκατάσταση σε βάθος περίπου 2.000 μέτρων μέσα σε ένα ενεργό ορυχείο νικελίου κοντά στο Σάντμπερι του Οντάριο. Το βάθος αυτό, θωρακίζει το πείραμα από τις κοσμικές ακτίνες και άλλα σωματίδια υποβάθρου που θα μπορούσαν να παρεμβληθούν στα εξαιρετικά ασθενή σήματα που προσπαθούν να ανιχνεύσουν οι επιστήμονες.
Τώρα που επιτεύχθηκε η θερμοκρασία βάσης, η ομάδα θα ξεκινήσει τη θέση των ανιχνευτών σε λειτουργία (commissioning). Η φάση αυτή, θα διαρκέσει αρκετούς μήνες και περιλαμβάνει την ενεργοποίηση, τη βαθμονόμηση και τη λεπτομερή ρύθμιση κάθε καναλιού ανίχνευσης.
Εκτός από την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης, το πείραμα θα επιτρέψει στους επιστήμονες να μελετήσουν σπάνια ισότοπα, να εξερευνήσουν ενεργειακά εύρη που δεν έχουν μετρηθεί ποτέ στο παρελθόν και ενδεχομένως να αποκαλύψουν νέους τύπους αλληλεπιδράσεων σωματιδίων.
Το SuperCDMS αποτελεί μια συλλογική προσπάθεια που υποστηρίζεται από το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ, το Ίδρυμα Καινοτομίας του Καναδά και το Συμβούλιο Φυσικών Επιστημών και Μηχανικής Έρευνας του Καναδά.
