Δύο μεγάλα πειράματα σκοτεινής ύλης κερδίζουν την υποστήριξη των ΗΠΑ

Για μια αλλαγή, οι φυσικοί των σωματιδίων των ΗΠΑ απολαμβάνουν μερικά καλά νέα σχετικά με την κρατική χρηματοδότηση. Το Υπουργείο Ενέργειας (DOE) και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF) ανακοίνωσαν την Παρασκευή ότι θα προσπαθήσουν να χρηματοδοτήσουν δύο μεγάλα πειράματα για την ανίχνευση σωματιδίων της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης της οποίας η βαρύτητα δεσμεύει τους γαλαξίες αντί για ένα μόνο. Η απόφαση καταπραΰνει τους φόβους ότι οι εταιρείες χρηματοδότησης θα μπορούσαν να αντέξουν οικονομικά μόνο ένα πείραμα για να συνεχιστεί η αναζήτηση για τα λεγόμενα ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια ή WIMP. Επίσης, αποτρέπει την ανάγκη επιλογής μεταξύ των δύο κορυφαίων ομάδων αναζήτησης WIMP στις Ηνωμένες Πολιτείες.

«Έχουμε την ευκαιρία αυτή τη στιγμή τα πειράματα των ΗΠΑ να προωθήσουν περαιτέρω την ευαισθησία και πιθανώς να κάνουν μια ανακάλυψη», λέει ο Richard Gaitskell, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Brown και μέλος της ομάδας που αναπτύσσει έναν ανιχνευτή WIMP που ονομάζεται LZ, ένας από τους δύο κορυφαίους έργα. «Υπάρχει πραγματική δέσμευση από την κοινότητα και τους φορείς χρηματοδότησης». Ο Blas Cabrera, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στο Πάλο Άλτο της Καλιφόρνια, και εκπρόσωπος του ανταγωνιστικού πειράματος SuperCDMS, λέει ότι η επιλογή μόνο μιας ομάδας "θα ήταν σοβαρό λάθος".

Για δεκαετίες, αστρονόμοι και αστροφυσικοί έχουν αιτιολογήσει ότι κάποιο είδος κατά τα άλλα μη παρατηρήσιμη σκοτεινή ύλη παρέχει το μεγαλύτερο μέρος της βαρύτητας που εμποδίζει τους γαλαξίες να πετάξουν χώρια. Οι φυσικοί ελπίζουν να αναγνωρίσουν αυτό το υλικό ανιχνεύοντας σωματίδια του που επιπλέουν γύρω μας. Για παράδειγμα, η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να αποτελείται από WIMP, υποθετικά σωματίδια που μόλις και μετά βίας αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη και ζυγίζουν πολύ περισσότερο από τα πρωτόνια.

Η τρέχουσα γενιά πειραμάτων στοχεύει στην ανίχνευση των WIMP καθώς προσκρούουν σε ατομικούς πυρήνες σε υπερευαίσθητους ανιχνευτές βαθιά κάτω από το έδαφος, όπου προστατεύονται από τη συνηθισμένη ακτινοβολία. Η επόμενη γενιά, που θα κυκλοφορήσει αργότερα μέσα στη δεκαετία, θα ήταν μεγαλύτερη, πιο ευαίσθητη και πιο δαπανηρή. Ωστόσο, το 2012, οι αξιωματούχοι της DOE υπολόγισαν ότι είχαν μόνο 29 εκατομμύρια δολάρια για να ξοδέψουν σε αναζητήσεις δεύτερης γενιάς σκοτεινής ύλης — περίπου το ποσό που χρειαζόταν οποιαδήποτε από τις δύο κορυφαίες ομάδες για την προγραμματισμένη αναβάθμισή της.

Το LZ θα ήταν μια πολύ μεγαλύτερη εκδοχή ενός πειράματος που ονομάζεται πείραμα σκοτεινής ύλης Large Underground Xenon, ή LUX, που τρέχει τώρα 1480 μέτρα κάτω στην υπόγεια ερευνητική εγκατάσταση Sanford στο Lead της Νότιας Ντακότα. Θα αποτελείται από μια δεξαμενή 7 τόνων παγωμένου υγρού xenon, το οποίο θα εκπέμπει ενδεικτικές λάμψεις φωτός όταν ένα WIMP χτυπά έναν πυρήνα. Αντίθετα, το SuperCDMS θα ήταν μια μεγαλύτερη έκδοση του Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS-II), το οποίο χρησιμοποιούσε δίσκους μεγέθους χόκεϊ από συμπαγές γερμάνιο για την ανίχνευση WIMP μέσω θερμότητας και ηλεκτρικών σημάτων και έτρεχε στο υπόγειο εργαστήριο Soudan στη Μινεσότα. Το SuperCDMS θα εκτελείται στο βαθύτερο SNOLAB στο Sudbury του Καναδά.

Το LZ θα κοστίσει περίπου 55 εκατομμύρια δολάρια, αν και περίπου 20 εκατομμύρια δολάρια θα προέρχονταν από ξένους εταίρους και την Αρχή Επιστήμης και Τεχνολογίας της Νότιας Ντακότα. Ο Χάρι Νέλσον, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια (UC), στη Σάντα Μπάρμπαρα, και εκπρόσωπος της ομάδας LZ, λέει ότι «το σαγόνι μου έπεσε στο πάτωμα» όταν αξιωματούχοι και από τις δύο υπηρεσίες του είπαν ότι «σκοπεύουν να μας χρηματοδοτήσουν πλήρως». /P>

Αντίθετα, οι ερευνητές με SuperCDMS δεν πήραν όλα όσα ήθελαν. Οι φυσικοί ήλπιζαν να κατασκευάσουν έναν ανιχνευτή ικανό να περιέχει 400 κιλά γερμανίου και εξοπλισμένο με αρχικά 110 κιλά για κόστος 32 εκατομμυρίων δολαρίων, 3 εκατομμύρια από τα οποία θα προέρχονταν από την κυβέρνηση του Καναδά. Αντίθετα, θα ξεκινήσουν με μια εξέδρα πλήρους μεγέθους, αλλά μόνο 50 κιλά γερμάνιο. Και ενώ η LZ θα συνεχίσει να αναζητά WIMP που ζυγίζουν αρκετές εκατοντάδες φορές περισσότερο από ένα πρωτόνιο -όπως πολλοί θεωρητικοί αναμένουν ότι θα έπρεπε - οι ερευνητές του SuperCDMS θα περιορίσουν την εστίασή τους σε πολύ ελαφρύτερα WIMP μόνο λίγες φορές το βάρος ενός πρωτονίου. Ωστόσο, η Cabrera είναι αισιόδοξη. "Νομίζω ότι χρειαζόμαστε μια ευρεία προσέγγιση και είμαι απόλυτα χαρούμενος που αγκαλιάζω αυτήν την περιοχή χαμηλής μάζας", λέει.

Σε ένα άρθρο στη δημοσίευση DOE particle physics Symmetry , οι δύο υπηρεσίες δήλωσαν ότι θα χρηματοδοτήσουν επίσης το σχετικά φθηνό πείραμα Axion Dark Matter Experiment (ADMX) στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, στο Σιάτλ. Το ADMX παρακολουθεί εξ ολοκλήρου έναν διαφορετικό τύπο σωματιδίου σκοτεινής ύλης, το axion, το οποίο θα ήταν πολύ ελαφρύτερο από τα WIMP και θα μπορούσε να μετατραπεί σε φωτόνιο σε ένα μαγνητικό πεδίο.

Ωστόσο, τα νέα δεν ήταν τόσο καλά για άλλες δύο αναζητήσεις WIMP. Η DOE και η NSF αρνήθηκαν να χρηματοδοτήσουν περαιτέρω ανάπτυξη του PICO, ενός πειράματος στο SNOLAB που χρησιμοποιεί μια συσκευή που ονομάζεται θάλαμος φυσαλίδων για να παρακολουθεί πυρήνες που οπισθοχωρούν από μια σύγκρουση WIMP και το DarkSide, έναν ανιχνευτή στο υπόγειο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso της Ιταλίας που είναι γεμάτο με υγρό αργό . Ερευνητές που μίλησαν στο Science Ωστόσο, οι Insider λένε ότι αναμένουν από τις δύο υπηρεσίες να συνεχίσουν να χρηματοδοτούν την έρευνα για αυτές τις τεχνολογίες.

Οι ομοσπονδιακοί αξιωματούχοι δεν λένε από πού θα προέλθουν τα επιπλέον χρήματα, αν και ένας πρόσφατα δημοσιευμένος οδικός χάρτης για τη σωματιδιακή φυσική των ΗΠΑ από την κοινότητα απαιτεί αυξημένη χρηματοδότηση για αναζητήσεις στη σκοτεινή ύλη. Ο Nelson του UC Santa Barbara λέει ότι πιστεύει ότι οι υπηρεσίες σχεδιάζουν να διπλασιάσουν περίπου την προηγούμενη επένδυσή τους, ύψους 29 εκατομμυρίων δολαρίων, για την επόμενη γενιά αναζητήσεων στη σκοτεινή ύλη. Ωστόσο, ο James Whitmore, διευθυντής προγράμματος NSF για τη σωματιδιακή φυσική, αρνήθηκε να παράσχει λεπτομέρειες σχετικά με τη χρηματοδότηση και ο James Siegrist, αναπληρωτής διευθυντής της DOE για τη φυσική υψηλής ενέργειας, δεν απάντησε σε αίτημα για σχόλιο.

Οι ερευνητές λένε επίσης ότι δεν μετρούν ακόμα τα κοτόπουλα τους. Ανησυχούν ότι το πράσινο φως θα γίνει κίτρινο εάν το Κογκρέσο επεκτείνει τα τρέχοντα επίπεδα χρηματοδότησης για όλους τους οργανισμούς λόγω της αποτυχίας του να εγκρίνει τον προϋπολογισμό του 2015 μέχρι την έναρξη του οικονομικού έτους την 1η Οκτωβρίου.

*Διόρθωση, 21 Ιουλίου, 2:34 μ.μ.: Η ιστορία έχει αλλάξει για να εξηγηθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια η αρχική πρόταση SuperCDMS.