Znajdź zawartość

Po 10 latach pionierskiej pracy naukowcy z amerykańskiego SLAC National Accelerator Laboratory ukończyli wykrywacze ciemnej materii SuperCDMS. Dwa pierwsze trafiły niedawno do SNOLAB w Ontario w Kanadzie. Będą one sercem systemu poszukującego dość lekkich cząstek ciemnej materii. Urządzenia mają rejestrować cząstki o masach od 1/2 do 10-krotności masy protonu. W tym zakresie będzie to najbardziej czuły na świecie wykrywacz ciemnej materii. Twórcy detektorów mówią, że przy ich budowie wiele się nauczyli i stworzyli wiele interesujących technologii, w tym elastyczne kable nadprzewodzące, elektronikę działającą w ekstremalnie niskich temperaturach czy lepiej izolowane systemy kriogeniczne, dzięki czemu całość jest znacznie bardziej czuła na ciemną materię. A dodatkową zaletą całego eksperymentu jest jego umiejscowienie 2 kilometry pod ziemią, co pozwoli na wyeliminowanie znaczniej części zakłóceń ze strony promieniowania kosmicznego. SNOLAB i SuperCDMS są dla siebie stworzone. Jesteśmy niesamowicie podekscytowani faktem, że detektory SuperCDMS mają potencjał, by bezpośrednio zarejestrować cząstki ciemnej materii i znacząco zwiększyć nasza wiedzę o naturze wszechświata, mówi Jodi Cooley, dyrektor SNOLAB. Zrozumienie ciemnej materii to jedno z najważniejszych zadań nauki, dodaje JoAnne Hewett ze SLAC. Wiemy, że materia widzialna stanowi zaledwie 15% wszechświata. Cała reszta to ciemna materia. Jednak nikt nie wie, czym ona jest. Wiemy, że istnieje, gdyż widzimy jej oddziaływanie grawitacyjne z materią widzialną. Jednak poza tym nie potrafimy jej wykryć. Eksperyment SuperCDMS SNOLAB to próba zarejestrowania cząstek tworzących ciemną materię. Naukowcy chcą w nim wykorzystać schłodzone do bardzo niskich temperatur kryształy krzemu i germanu. Stąd zresztą nazwa eksperymentu – Cryogenic Dark Matter Search (CDMS). Uczeni mają nadzieję, że w temperaturze o ułamek stopnia wyższej od zera absolutnego uda się zarejestrować wibracje kryształów powodowane interakcją z cząstkami ciemnej materii. Takie kolizje powinny zresztą wygenerować pary elektron-dziura, które – przemieszczając się w krysztale – wywołają kolejne wibracje, wzmacniając w ten sposób sygnał. Żeby jednak tego dokonać, detektory muszą zostać odizolowane od wpływu czynników zewnętrznych. Dlatego też eksperyment będzie prowadzony w SNOLAB, laboratorium znajdującym się w byłej kopalni niklu, ponad 2000 metrów pod ziemią. Stopień trudności w przeprowadzeniu tego typu eksperymentów jest olbrzymi. Nie tylko bowiem konieczne było stworzenie nowatorskich wykrywaczy, co wymagało – jak już wspomnieliśmy – 10 lat pracy. Wyzwaniem był też... transport urządzeń. Aby chronić je przed promieniowaniem kosmicznym, należało jak najszybciej dostarczy je z USA do Kanady. Oczywiście na myśl przychodzi przede wszystkim transport lotniczy. Jednak im wyżej się wzniesiemy, tym cieńsza warstwa atmosfery nas chroni, zatem tym więcej promieniowania kosmicznego do nas dociera. Wybrano więc drogę lądową, ale... naokoło. Pomiędzy Menlo Park w Kalifornii, gdzie powstały wykrywacze, a kanadyjską prowincją Ontario znajdują się Góry Skaliste. Ciężarówka z wykrywaczami musiałaby więc wjechać na sporą wysokość nad poziomem morza, co wiązałoby się z większym promieniowaniem docierającym do detektorów. Dlatego też jej trasa wiodła na południe, przez Teksas. Już następnego dnia po dotarciu do Ontario urządzenia zostały opuszczone pod ziemię, gdzie czekają na instalację. Jeszcze w bieżącym roku do Kanady trafią kolejne SuperCDMS, a wstępne przygotowania do uruchomiania laboratorium mają zakończyć się w 2024 roku. Naukowcy mówią, że po 3-4 latach pracy laboratorium powinno zebrać na tyle dużo danych, że zdobędziemy nowe informacje na temat ciemnej materii. « powrót do artykułu

W lutym i marcu do amerykańskiego Fermilab dostarczono trzy zestawy miedzianych płyt, które natychmiast zostały zabrane do magazynu znajdującego się 100 metrów pod ziemią. Miedź wydobyto w Finlandii, walcowano w Niemczech i dostarczono do USA, a wszystko odbyło się w ciągu zaledwie 120 dni. Pośpiech był bardzo wskazany. Miedź posłuży do wykrywania ciemnej materii i musi być jak najbardziej czysta, a każdy dzień, jaki spędziła na powierzchni ziemi przyczyniał się do jej zanieczyszczenia. Jak wyjaśnia Dan Bauer z Fermilab, powierzchnia Ziemi jest zalewana ciągłym deszczem promieni kosmicznych. Gdy pochodzące z kosmosu cząstki uderzają w atomy miedzi, wybijają z nich protony i neutrony. Powstaje kobalt-60. Jest on radioaktywny, a więc niestabilny, zatem spontanicznie rozpada się na inne cząstki. Dla codziennego użycia miedzi nie ma to żadnego znaczenia, jednak wspomniane płyty zostaną wykorzystane w eksperymencie o nazwie Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS), więc Bauer i jego koledzy muszą być pewni, że miedź jest jak najbardziej czysta. Eksperyment SuperCDMS będzie prowadzony w podziemnym laboratorium SNOLAB z Kanadzie. Z płyt powstanie sześć naczyń przypominających duże puszki na napoje. Będą one wchodziły jedna w drugą. Najbardziej wewnętrzne z naczyń będzie zawierało germanowe i krzemowe urządzenia, których zadaniem będzie wykrywanie WIMP-ów, czyli masywnych słabo reagujących cząstek. Naukowców szczególnie interesują WIMP o masie mniejszej niż 1/10 masy protonu. Średnica najbardziej zewnętrznej „puszki” wyniesie nieco ponad 1 metr. Całość, zwana SNOBOX, będzie podłączona do specjalnego urządzenia, które schłodzi germanowe i krzemowe czujniki do ułamków stopnia powyżej zero absolutnego. W takich temperaturach drgania wywołane przepływem ciepła są tak minimalne, że urządzenia powinny zarejestrować drgania spowodowane uderzeniem WIMP-a w atom. Bauer mówi, że cały eksperyment jest poszukiwaniem igły w stogu siana. W najlepszym wypadku uda nam się zarejestrować może kilka WIMP rocznie. Eksperyment prowadzony będzie dwa kilometry pod ziemią. Czujniki zostaną zamknięte we wspomnianych miedzianych puszkach, a całość będzie dodatkowo chroniona warstwami ołowiu, plastiku i wody. Wszystko po to, by powstrzymać wszelkie inne cząstki – z wyjątkiem WIMP – przed dotarciem do czujników. Jednak pomiędzy czujnikami a miedzią nie będzie żadnej bariery. Dlatego właśnie miedź musi być jak najczystsza. Wszystkie zanieczyszczenia mogą bowiem generować w czujnikach dodatkowe sygnały. Właśnie dlatego naukowcy starają się, by miedź jak najkrócej przebywała na powierzchni ziemi, żeby nie powstawał w niej kobalt-60. Jednak kobalt nie nie jedyny problem. W skorupie ziemskiej występuje wiele radioaktywnych izotopów uranu, toru czy potasu. Zatem już samo źródło miedzi, kopalnia, musiało być jak najczystsze. Problemem mogą być też pierwiastki, które nie są radioaktywne. Wszelkie znajdujące się w miedzi zanieczyszczenia zmniejszają jej zdolność do odprowadzania ciepła, co utrudni utrzymanie odpowiednio niskiej temperatury czujników. Czystość SuperCDMS musi wynosić ponad 99,99%. Zanieczyszczenia radioaktywne zaś mogą stanowić tam mniej niż 0,1 części na miliard. Mimo najlepszych starań fińskich i niemieckich specjalistów, nie wszystkie zanieczyszczenia można z miedzi wyeliminować. Chociażby dlatego, że do końca nie wiemy, jakie procesy zachodzą w miedzi podczas jej obróbki. Dlatego też, gdy płyty dotarły do Fermilab zostały pobrane z nich próbki, które trafiły do Pacific Northwest National Laboratory. Tam przeprowadzono testy, mające na celu dokładne opisanie pozostałych zanieczyszczeń. Wkrótce płyty wyjadą z Fermilab do zakładu, gdzie powstaną z nich „puszki”. Znajdą się wówczas na powierzchni, więc „kobaltowy zegar” będzie tykał. Zatrzyma się dopiero gdy całość trafi do podziemnego laboratorium w Kanadzie. Ostatnią czynnością, jaką wykonamy przed zabraniem ich pod ziemię będzie spryskanie ich kwasem, który usunie z nich kilkadziesiąt mikrometrów powierzchni, mówi Bauer. Kwas ten to mieszanina wody utlenionej i rozcieńczonego kwasu solnego. Następnie całość zostanie pokryta słabym roztworem kwasu cytrynowego, który będzie chronił „puszki” przed utlenianiem w czasie prowadzenia eksperymentu. « powrót do artykułu