Ανιχνευτής μπορεί να 'ακούσει' την σκοτεινή ύλη

Πηγή: PhysOrg, 16 Οκτωβρίου 2008

Μια μικρή διαφορά στον ήχο που δημιουργείται από νετρόνια και σωματίδια άλφα, καθώς κινούνται μέσω ενός υγρού θα μπορούσε να οδηγήσει στην πρώτη άμεση ανίχνευση της σκοτεινής ύλης, λένε φυσικοί που εργάζονται στο πείραμα PICASSO στον Καναδά.

Η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι αποτελεί έως και το 95% όλης της ύλης στο σύμπαν, αλλά δεν έχει ποτέ παρατηρηθεί άμεσα. Ο δικός μας Γαλαξίας θεωρείται πως έχει μια άλω (που επειδή περιβάλλει τον γαλαξία λέγεται και φωτόστέφανος) από σκοτεινή ύλη, μέσω της οποίας κινείται η Γη και, επομένως, μπορεί να είναι δυνατόν να ανιχνευθεί η ουσία αυτή.

Ορισμένοι φυσικοί πιστεύουν ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να λάβει τη μορφή σωματιδίων που αλληλεπιδρούν ασθενώς  ασθενώς (WIMPs), που αλληλεπιδρούν με την κανονική ύλη μέσω της ασθενούς δύναμης. Ωστόσο, αυτές οι αλληλεπιδράσεις αναμένονται να είναι εξαιρετικά σπάνιες και ως εκ τούτου οποιαδήποτε επιτυχή ανίχνευση σκοτεινής ύλης πρέπει να είναι σε θέση να διαχωρίσει μεταξύ μιας σπάνιας αλληλεπίδρασης των WIMP  και του θορύβου.

Το PICASSO είναι ένας θάλαμος φυσαλίδων που περιέχει 80 g υπέρθερμου υγρού C4F10, και που βρίσκεται πάνω από το σημείο βρασμού. Είναι θαμμένο βαθιά κάτω στο έδαφος, μέσα σε ένα παλιό ορυχείο, για να προφυλαχθεί έτσι από τις κοσμικές ακτίνες. Το PICASSO ανιχνεύει υποατομικά σωματίδια με τη βοήθεια φυσαλίδων που δημιουργούνται όταν τα σωματίδια συγκρούονται με ένα ατομικό πυρήνα του υγρού. Η δημιουργία φυσαλίδων ανιχνεύεται με ηχητικά κύματα που δημιουργούνται όταν σχηματίζεται μια φυσαλίδα.

Ο περισσότερος από τον θόρυβο υποβάθρου στον ανιχνευτή PICASSO προέρχεται από τα σωματίδια άλφα, που γεννιούνται από τους ραδιενεργούς ρυπαντές του ανιχνευτή. Γι αυτό είναι σημαντικό ότι η ομάδα εργασίας PICASSO βρήκε ένα τρόπο για να καταλάβει τη διαφορά μεταξύ των WIMPs και των σωματιδίων άλφα.

Φυσικά, δεν είναι διαθέσιμη στους φυσικούς καμιά έτοιμη πηγή WIMPs, γι αυτό και η ομάδα χρησιμοποίησε μια πηγή νετρονίων. Όπως και τα WIMPs, τα νετρόνια δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο και συνεπώς έχουν μικρή πιθανότητα να συγκρουστούν με έναν πυρήνα - αν και τα WIMP έχουν εξαιρετικά χαμηλή πιθανότητα. Αντίθετα, τα σωματίδια άλφα έχουν ηλεκτρικό φορτίο και ως εκ τούτου είναι πιο πιθανό να αλληλεπιδράσουν με πυρήνες (και ηλεκτρόνια) μέσα στο ρευστό.

Η ομάδα μελέτησε τα ηχητικά σήματα που παράγονται όταν ο ανιχνευτής ήταν εκτεθειμένες σε νετρόνια και στη συνέχεια σε σωματίδια άλφα. Βρήκαν λοιπόν ότι τα νετρόνια παράγουν σημαντικά πιο ήσυχο ήχο από τα σωματίδια άλφα - και ότι αυτή η διαφορά είναι αρκετά μεγάλη για να γίνει διάκριση μεταξύ των διαφόρων σωματιδίων.

Σύμφωνα με τον εκπρόσωπο του πειράματος PICASSO Viktor Zacek του Πανεπιστημίου του Μόντρεαλ, η ομάδα 'κόμπιασε' μπροστά στο τι συνέβαινε πραγματικά, όταν βαθμονόμησε την αντίδραση του ανιχνευτή στα νετρόνια και σύγκριναν τα ακουστικά σήματα του νετρονίου με αυτά των άλφα σωματιδίων. Η διαφορά για πρώτη φορά ερμηνεύτηκε ως σφάλμα του ανιχνευτή. "Ωστόσο, όταν θα ελέγχονται λεπτομερώς τα δεδομένα, η ανάλυση των αποτελεσμάτων θα γίνει ακόμη πιο έντονη", εξήγησε.

Βέβαια η ομάδα δεν κατανοεί πλήρως γιατί τα σωματίδια άλφα 'ακούγονται' πιο δυνατά από ότι τα νετρόνια, αλλά πιστεύουν ότι θα μπορούσε να σχετίζεται με το γεγονός ότι τα άλφα τείνουν να δημιουργήσουν πολλαπλές φυσαλίδες σε μια σύγκρουση, ενώ τα νετρόνια τείνουν να δημιουργούν μόνο μια φυσαλίδα.

Πέραν του ότι βοηθά στην αναζήτηση της σκοτεινής ύλης, η ομάδα πιστεύει επίσης ότι η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερη ανίχνευση άλφα σωματιδίων που εκπέμπουν πυρήνες στα βιολογικά υλικά αλλά και να αυξήσουν την ευαισθησία των ανιχνευτών νετρονίων.