Το πείραμα CRESST αναζητά «ελαφρά» σωμάτια ως συστατικά της Σκοτεινής Ύλης

Η Γη, οι πλανήτες, τα άστρα και οι γαλαξίες σχηματίζουν μόνο το ορατό μέρος της ύλης στο σύμπαν. Μακράν μεγαλύτερο είναι το μέρος που αιτιολογείται από την αόρατη «σκοτεινή ύλη». Οι επιστήμονες έχουν ερευνήσει για τα σωμάτια της σκοτεινής ύλης σε πολυάριθμα πειράματα, μάταια μέχρι στιγμής. Με το πείραμα CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers), η περιοχή έρευνας μπορεί να διευρυνθεί σημαντικά: Οι ανιχνευτές στο CRESST αναμορφώθηκαν και είναι σε θέση να ανιχνεύσουν σωματίδια των οποίων η μάζα βρίσκεται πιο κάτω από την τωρινή περιοχή μέτρησης. Ως εκ τούτου, αυξάνεται η πιθανότητα εντοπισμού της σκοτεινής ύλης στα «χαμηλά».

Θεωρητικά μοντέλα και αστροφυσικές παρατηρήσεις δεν αφήνουν καμία αμφιβολία ότι η σκοτεινή ύλη υπάρχει: Το μερίδιό της είναι πέντε φορές περισσότερο από ότι όλη η ορατή ύλη. «Μέχρι στιγμής ένα πιθανό υποψήφιο για σωμάτιο σκοτεινής ύλης θεωρείται ότι είναι ένα βαρύ σωμάτιο, το λεγόμενο WIMP (weakly interacting massive particle)», εξηγεί η Dr Federica Petricca, ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Φυσική και εκπρόσωπος τύπου του πειράματος CRESST . «Έτσι, τα περισσότερα πρόσφατα πειράματα εξετάσουν μια περιοχή μετρήσεων μεταξύ 10 και 1000 GeV/c^2».

Το τρέχον κατώτερο όριο των 10 GeV/c^2 (GeV: γιγα-ηλεκτρονιοβόλτ, c: ταχύτητα του φωτός) αντιστοιχεί περίπου στη μάζα ενός ατόμου άνθρακα. Ωστόσο, πρόσφατα έχουν αναπτυχθεί διάφορα νέα θεωρητικά μοντέλα με τη δυνατότητα επίλυσης των μακρόχρονα υφιστάμενων προβλημάτων, όπως η διαφορά μεταξύ του προσομοιωμένου και του παρατηρημένου προφίλ της σκοτεινής ύλης στους γαλαξίες. Διάφορα από αυτά τα μοντέλα υπαινίσσονται υποψήφιο σωμάτιο σκοτεινής ύλης κάτω από τη μάζα του παραδοσιακού WIMP.

Τώρα το CRESST πέτυχε ένα σημαντικό βήμα προς τον εντοπισμό αυτών των πιθανών «ελαφρών» σωματίων: Σε ένα μακροχρόνιο πείραμα με ένα ανιχνευτή, οι ερευνητές πέτυχαν ένα ενεργειακό κατώφλι 307 eV (ηλεκτρονιοβόλτ). «Με αυτό, ο ανιχνευτής είναι ο καταλληλότερος για μετρήσεις μεταξύ 0,5 και 4 GeV/c^2, βελτιώνοντας 100 φορές την ευαισθησία του», λέει ο Dr. Jean-Côme Lanfranchi, επιστήμονας στην έδρα για την Πειραματική και την Αστροσωματιδιακή Φυσική στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου .

«Τώρα μπορούμε να ανιχνεύσουμε σωμάτια τα οποία είναι σημαντικά ελαφρύτερα από τα WIMPs, για παράδειγμα σωμάτια σκοτεινής ύλης με μάζα συγκρίσιμη με του πρωτονίου, το οποίο έχει μάζα 0,94 GeV/c^2», προσθέτει η Petricca. Με βάση τη νέα γνώση που προέκυψε, οι επιστήμονες θα εφοδιάσουν τώρα το πείραμα με τους νέους ανιχνευτές. Ο επόμενος κύκλος μέτρησης του CRESST αναμένεται να ξεκινήσει στα τέλη του 2015 και να διαρκέσει για ένα έως δύο χρόνια.

Η Πειραματική Διάταξη

Το κεντρικό τμήμα όλων των ανιχνευτών του CRESST είναι ένας κρύσταλλος βολφραμικού ασβεστίου (Σεελίτη, CaWO4). Όταν ένα σωματίδιο χτυπά ένα από τα τρία άτομα του κρύσταλλου (ασβέστιο, βολφράμιο, και οξυγόνο), οι ανιχνευτές μετρούν ταυτόχρονα ενέργεια και φωτεινά σήματα από τη σύγκρουση που παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τη φύση του προσπίπτοντος σωματιδίου.

Προκειμένου να συλληφθούν ακόμη και η μικρότερη δυνατή θερμοκρασία και τα πιο αδύνατα φωτεινά σήματα, οι μονάδες του ανιχνευτή ψύχονται κοντά στο απόλυτο μηδέν (στους -273,15 βαθμούς Κελσίου). Για να εξαλείψουν τα ενοχλητικά γεγονότα υποβάθρου, οι επιστήμονες του CRESST χρησιμοποιούν υλικά με μικρή φυσική ραδιενέργεια. Επιπλέον, το πείραμα βρίσκεται στο μεγαλύτερο υπόγειο εργαστήριο του κόσμου, στο ιταλικό βουνό Gran Sasso και ως εκ τούτου είναι ιδιαίτερα προστατευμένος από τις κοσμικές ακτίνες.

Τι είναι καινούργιο;

Το CRESST θα λειτουργήσει στο μέλλον με μικρότερους και – σε σύγκριση με τα εμπορικώς παρασκευασμένα υλικά – υπερκαθαρούς κρυστάλλους. Με το μειωμένο μέγεθος μπορεί να επιτευχθεί ένα χαμηλότερο κατώφλι ενέργειας. Αυτοί οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου και εμφανίζουν εξαιρετικά χαμηλή φυσική-εγγενή ραδιενέργεια, καθιστώντας το πείραμα πιο ευαίσθητο.

Τα αρχικά υποστρώματα με χάλκινο κρύσταλλο έχουν αντικατασταθεί με βολφραμικό ασβέστιο. Με αυτό, μπορεί να μειωθεί σημαντικά ο αριθμός των ανεπιθύμητων αποτελεσμάτων που οφείλονται στη φυσική ραδιενέργεια των μεταλλικών επιφανειών. Η ακρίβεια του ανιχνευτή φωτός έχει βελτιστοποιηθεί. Οι συγκρούσεις των ήδη γνωστών σωματίων μπορούν να διακριθούν σαφέστερα από τις συγκρούσεις των σωματίων της σκοτεινής ύλης.

Πηγή: Technical University of Munich