Prasidės turbūt sudėtingiausias eksperimentas žmonijos istorijoje: paslaptingiausios materijos pėdsakai 12 kilometrų gylio Šaltojo karo laikų gręžiniuose

Daugiau nei dvi dešimtys po pasaulį išsibarsčiusių požeminių laboratorijų ieško tamsiosios materijos (TM). Laikui bėgant, paslaptingosios medžiagos, kaip manoma, sudarančios 84% Visatos, paieškos vis sudėtingėja, tačiau paieškos kriterijų laukas pamažu siaurėja.

Iš regimos materijos sudarytos žvaigždės, galaktikos, žmonės, šunys ir visa kita, o štai tamsiosios materijos išvysti nepavyksta. Težinome, kad ji neskleidžia elektromagnetinių spindulių ir tiesiogiai su jais nereaguoja. Dėl šios savybės ją tiesiogiai stebėti ir sunku. Tačiau fizikai neabejoja, kad ji daro labai didelę įtaką galaktikoms.

Prisikasti

Ne vieną dešimtmetį TM kandidatų sąrašų favoritai buvo ⁠WIMPai (WIMP) – hipotetinės silpnai sąveikaujančios masyvios dalelės. Dauguma WIMPų paieškų eksperimentų bando tai aptikti daleles, pagal jų poveikį įprastai materijai. Kitaip tariant, WIMPai turi sąveikauti su atomų branduoliais per silpnąją sąveiką. Dėl šios sąveikos atomo branduolys atšoka ir paskleidžia garso bangą ar šviesos blyksnį. WIMPų paieškoms reikia itin jautrių instrumentų, kuriuos paviršiuje veiktų kosminiai spinduliai – duomenyse būtų labai daug triukšmo.

Būtent todėl Lenkijos, Švedijos ir JAV fizikų komanda daro prielaidą, kad TM ir jos palydovų reikia ieškoti Žemės gelmėse. Žemės plutoje sugulė visos Saulės sistemos praeitis. Suakmenėjusiose uolienose veikiausiai galima būtų rasti atomų branduolių reakcijų su WIMPais pėdsakų.

Kaip pasakoja fizikos teoretikė Katherine Freese iš Michigano universiteto, požeminis paleodetektorius veiks kaip ir tiesioginio aptikimo įrenginys paviršiuje. Vienintelis skirtumas, kad pastarųjų veikimui visada reikia daug vandens ar metalo – norint stebėti galimas branduolių reakcijas į galimus susidūrimus su WIMPais, reikia atomų. Po žeme galima tiesiog ieškoti suakmenėjusių į mineralų atomų branduolius įsirėžusių WIMPų pėdsakų. Jeigu atomo branduolys nuo TM dalelės atšoko su pakankama energija ir jei šie sužadint atomai yra pakankamai giliai (tai yra, apsaugoti), tai mokslininkams atsiranda galimybė atkurti WIMPų judėjimo kelią. Paskui tyrėjai iškasti akmenis, nuskelti reikiamus segmentus (kad būtų galima nusigauti iki konkretaus planetos istorijos periodo) ir pagal juos tirti Saulės sistemoje vykusius įvykius.

Žemės plutos analizė

Katherine Freese bendradarbiauja su Andrzejumi Drukieriu, Stockholmo universiteto fiziku, tyrinėjančiu TM aptikimo būdus.

2015 metais Drukieris nuvyko į Novosibirską, kur dirbo su biologinio detektoriaus prototipu, kuris bus sumontuotas po žeme. Į miestą jį veikiausiai atvedė naujienos apie kitą TM paieškomis susidomėjusių mokslininkų komandą. SBRAS Branduolinės fizikos instituto mokslininkai pradėjo kurti savo kriogeninį WIMPų detektorių, veikiantį suskystintų dujų ir ksenono pagrindu. 2018 metais mokslininkai rado būdą padidinti įrenginio tikslumą, pirmieji rezultatai turėtų būti gauti 2023–2025 m.

Rusijoje Drukieris sužinojo apie Šaltojo karo laikų gręžinius. Kai kurių jų gylis siekia 12 kilometrų, kas idealiai tinka TM paieškoms. Žemės plutos mineralai, nors santykinai maži ir ne tokie jautrūs, irgi vykdo savotišką WIMPų paiešką. „Iš labai giliai esančių uolienų ištraukti mineralai gali būti ne mažiau nei milijardo metų amžiaus“, – pasakoja Drukieris. Kuo giliau kasame, tuo senesnes uolienas randame, paaiškino mokslininkas. Iš esmės, pati planeta milijonus metų buvo detektoriumi, įrašinėjusiu gautus duomenis į akmenį.

Beje, ir pačioje Žemėje netrūksta mokslininkų darbą jaukiančių siurprizų. Paprasčiausias pavyzdys – planetos gelmės turtingos radioaktyvaus urano, kuris skildamas nuolat skleidžia neutronus, kurie irgi gali išdaužti atomų branduolius, kaip WIMPai. Pasak Freese, pradiniame detektoriaus projekte į urano branduolių skilimą nebuvo atsižvelgta, tad įrenginio efektyvumas ir objektyvumas buvo nulinis. Mokslininkų komanda du mėnesius tyrė tūkstančius mineralų, stengdamiesi rasti garantuotai izoliuotus nuo urano skilimo pasekmių. Remiantis šiais tyrimais, pagrindiniu paleodetektorių taikiniu buvo pasirinkti jūriniai evaporitai (kristalinės uolienos, susiformavusios, garuojant ir sūrėjant jūros vandeniui). Be to, mokslininkai ir toliau ieško mineralų, kuriuose daug vandenilio, nes šis elementas efektyviai blokuoja skylančio urano skleidžiamus neutronus.

Rizikos

Mineralų gavyba nebus lengva. Duomenų analizei reikės naudoti moderniausią nanovizualizaciją, kuri išryškintų WIMPų poveikį branduolių judėjimui. Pasak MIT fizikos teoretikės Tracy Slatyer, paleodetektoriumi nustatyti, kad minerale pėdsaką paliko būtent TM, o ne urano neutronai, Saulės neutrinai ar dar kas, bus išties nelengva.

„Tai nekontroliuojama sistema. Tai ne laboratorija. Niekas nežino tikslios nuosėdų istorijos. Visų gautų duomenų patikrinimas truks pernelyg ilgai“, – kolegų būdą kritikuoja su tyrimu nesusijusi Slatyer.

Drukieris ir Freese įsitikinę, kad paleodetektorių galią užtikrina skaičiai. Žemės gelmėse daugybė mineralų, besiskiriančių atomų branduoliais, skirtingai atšokančiais nuo WIMPų – skirtingi mineralai veiks kaip atskiri detektoriai. Išanalizavus visus gautus duomenis, bus galima nustatyti su TM susidūrusių branduolių atšokimo spektrą, iš kurio bus galima bandyti nustatyti WIMPų masę. Ateityje paleodetektoriai gali padėti susidaryti WIMPų judėjimo per visą Žemės istoriją vaizdą – lygiai taip, kaip fosilijos padeda paleontologams atkurti planetos gyvybės istoriją,

Slatyer nuomone, tokia ataskaita gali pateikti duomenų apie Paukščių Tako halą (didelė aplinkinė sritis), sudarytą iš tamsiosios materijos. Šis halas – nematomos medžiagos debesis, kurį kerta Saulės sistema, skriedama orbitoje apie mūsų galaktikos centrą. Tai užtrunka apie 250 milijonų metų.

„Ar rasime tamsiąją materiją? Asmeniškai aš ieškau jau 35 metus. Dabar rengiuosi ko gero sudėtingiausiam eksperimentui žmonijos istorijoje, tad, tikėtina ir nesėkmė. Tačiau tai kieta“, – įsitikinęs Drukieris.