Η κινεζική ομάδα πιάνει τη διαφορά στο κυνήγι της σκοτεινής ύλης
Την Πέμπτη, φυσικοί στην Κίνα ανέφεραν το τελευταίο αποτέλεσμα στην αναζήτηση σωματιδίων της σκοτεινής ύλης, του μυστηριώδους υλικού του οποίου η βαρύτητα συγκρατεί τους γαλαξίες. Οι ερευνητές με τον ανιχνευτή σωματιδίων και αστροφυσικού Xenon (PandaX) δεν εντόπισαν κανένα σημάδι από το λατομείο τους, κάτι που δεν προκαλεί έκπληξη επειδή το PandaX δεν είναι ακόμη τόσο ευαίσθητο όσο ένας ανιχνευτής που λειτουργεί ήδη στις Ηνωμένες Πολιτείες και δεν έχει δει τίποτα. Ωστόσο, το εύρημα είναι αξιοσημείωτο επειδή ο ανιχνευτής PandaX διαθέτει έναν έξυπνο σχεδιασμό που θα μπορούσε να του επιτρέψει να ανταγωνιστεί για το προβάδισμα ευαισθησίας τον επόμενο χρόνο περίπου.
Η νέα εργασία "είναι πολύ αξιόπιστη", λέει ο Richard Gaitskell, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Brown και μέλος της ομάδας που εργάζεται με τον ανιχνευτή Large Underground Xenon (LUX) στο Sanford Underground Research Facility στο Lead της Νότιας Ντακότα, ο σημερινός ηγέτης στο ευαισθησία. Ο Rafael Lang, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Purdue στο West Lafayette της Ιντιάνα, και μέλος της συνεργασίας που κατασκευάζει έναν ακόμη πιο ευαίσθητο ανιχνευτή γνωστό ως XENON1T στο υπόγειο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso της Ιταλίας, συμφωνεί. Οι ερευνητές του PandaX "κάνουν εξαιρετική δουλειά [ανακαλύπτοντας] και σημειώνουν εξαιρετικά γρήγορη πρόοδο", λέει.
Αυτοί οι ανιχνευτές παρακολουθούν υποθετικά ασθενώς αλληλεπιδρώντα τεράστια σωματίδια ή WIMP. Ζυγίζοντας μερικές έως εκατοντάδες φορές περισσότερο από ένα πρωτόνιο, τέτοια σωματίδια θα αλληλεπιδράσουν με τη συνηθισμένη ύλη μόνο μέσω της βαρύτητάς τους και της εξαιρετικά αδύναμης ασθενούς πυρηνικής δύναμης, καθιστώντας τα ιδανικούς υποψήφιους για τη σκοτεινή ύλη. Ο γαλαξίας μας θα μπορούσε να επιπλέει σε ένα τεράστιο σύννεφο WIMP. Οι φυσικοί μπορεί να ανιχνεύσουν WIMP στις σπάνιες περιπτώσεις όταν κάποιος αναπηδά από έναν ατομικό πυρήνα σε έναν εξαιρετικά ευαίσθητο ανιχνευτή.
Στην πραγματικότητα, τις τελευταίες δύο δεκαετίες, αρκετοί ανιχνευτές έχουν αναφέρει πιθανές παρατηρήσεις WIMP στην περιοχή χαμηλής μάζας. Αλλά αυτά τα σήματα γενικά δεν έχουν συμφωνήσει σχετικά με την ακριβή μάζα των WIMP ή την ισχύ με την οποία αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη. Και το LUX και το XENON100, ο προκάτοχος του XENON1T, ισχυρίζονται ότι απέκλεισαν αυτά τα σήματα.
Το ίδιο και τα νέα δεδομένα από το PandaX. Όπως και οι ανιχνευτές LUX και XENON, το PandaX αποτελείται από μια δεξαμενή παγωμένου υγρού xenon. Εάν ένα WIMP προσέκρουε σε έναν πυρήνα ξένον, θα έστελνε τον πυρήνα να πετάξει, παράγοντας μια άμεση λάμψη φωτός που θα μπορούσε να εντοπιστεί με ακρίβεια από φωτοανιχνευτές στο πάνω και στο κάτω μέρος της δεξαμενής. Η σύγκρουση θα απελευθέρωσε επίσης τα ηλεκτρόνια από το άτομο ξένου. Θα επέπλεαν στην κορυφή της δεξαμενής και θα έβγαιναν στο αέριο xenon στην κορυφή, όπου θα παρήγαγαν μια δεύτερη, επιβεβαιωτική λάμψη φωτός. Σε 17 ημέρες λήψης δεδομένων, οι ερευνητές του PandaX δεν εντόπισαν κανένα WIMP στον ανιχνευτή τους, ο οποίος περιείχε 120 κιλά υγρού ξένον, 37 από τα οποία χρησίμευαν ως η «πιστωτική» μάζα στόχος, όπως αναφέρει η ομάδα σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στο Science. Κίνα Φυσική, Μηχανική &Αστρονομία .
Θα ήταν πιο περίεργο αν το PandaX είχε δει ένα σήμα. Αυτό συμβαίνει επειδή το LUX, το οποίο περιέχει 370 κιλά xenon με πιστή μάζα 118 κιλά, ήδη απέκλεισε τα WIMP χαμηλής μάζας τον περασμένο Οκτώβριο. Ωστόσο, το αποτέλεσμα είναι ενδιαφέρον γιατί δείχνει ότι η ομάδα του PandaX πλησιάζει γρήγορα τον υπόλοιπο κόσμο. Η συνεργασία, που σήμερα αριθμεί περίπου 40 μέλη, ξεκίνησε το 2010, όταν το XENON100 λειτουργούσε ήδη και το LUX ήταν υπό ανάπτυξη. «Ξεκινήσαμε βασικά από το τίποτα», λέει ο Xiangdong Ji, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Shanghai Jiao Tong στην Κίνα και στο Πανεπιστήμιο του Maryland, College Park. "Δεν είχαμε ομάδα, δεν είχαμε εξοπλισμό, δεν είχαμε τίποτα."
Ένα πράγμα που είχαν, ωστόσο, ήταν το βαθύτερο υπόγειο εργαστήριο του κόσμου. Το υπόγειο εργαστήριο China JinPing βάθους 2400 μέτρων κατασκευάστηκε σε μόλις 18 μήνες το 2009 και το 2010, δίπλα σε αυτοκινητόδρομους και υδάτινες σήραγγες μέσα από ένα βουνό με τη βοήθεια της Ertan Hydropower Development Company Ltd.
Το πρώτο PandaX έχει καλύτερα αποτελέσματα από αυτά του XENON100 όσον αφορά την ευαισθησία, λέει ο Ji. Και οι ερευνητές του PandaX στοχεύουν να πρωτοστατήσουν στον αγώνα για την ανακάλυψη των WIMP. Ο ανιχνευτής τους σχεδιάστηκε έτσι ώστε για να γίνει μεγαλύτερος, χρειάζεται μόνο να σηκώσουν το καπάκι της κυλινδρικής δεξαμενής τους και να ρίξουν περισσότερο υγρό xenon, εξηγεί ο Ji. Έτσι, οι ερευνητές ελπίζουν να το θέσουν σε λειτουργία με συνολική μάζα 500 κιλών και πιστή μάζα 200 κιλών στις αρχές του επόμενου έτους. Αυτό μπορεί απλώς να δώσει στην ομάδα PandaX μια ευκαιρία να φτάσει το LUX σε ευαισθησία. Και θα μπορούσε να του επιτρέψει να βγάλει ένα αποτέλεσμα πριν από το πρώτο αποτέλεσμα από το XENON1T, το οποίο θα έχει συνολική μάζα 3200 κιλά και πιστή μάζα 1000 κιλά. "Έχουμε ένα παράθυρο περίπου ενός έτους", εκτιμά ο Ji.
Ο Lang λέει ότι είναι δύσπιστος ότι η PandaX θα αναλάβει πραγματικά την ηγεσία. Αλλά ο Gaitskell λέει ότι πιστεύει ότι το PandaX μπορεί να είναι ένας παίκτης - εάν οι ερευνητές μπορούν να δείξουν ότι έχουν βαθμονομήσει επαρκώς τον ανιχνευτή τους και μπορούν να τον λειτουργούν σταθερά για εκατοντάδες ημέρες. "Εάν πρόκειται να εγκαταλείψουν το πελοτόν για την απόσχιση, θα πρέπει να αποδείξουν ότι μπορούν να κάνουν πετάλι για περισσότερες από 17 ημέρες."
