I en forlatt gullgruve som ligger en kilometer fra Leed, South Dakota, jobber ingeniører og fysikere ved University of Wisconsin-Madison på et kammer som inneholder 10 tonn flytende xenon. De håper at i en underjordisk gruve, der det eksperimentelle rommet vil bli beskyttet mot solpartikler og kosmisk stråling, kan de oppdage mørk materie for første gang.
Vi har allerede publisert en detaljert analyse av hva mystisk mørkt materie kan være ut fra moderne fysikk. Den opprinnelige hypotesen dukket opp på 1930-tallet, da astronomer innså at galaksen mangler tyngdekraften for å opprettholde strukturen bare på grunn av dens synlige kilder - stjerner, planeter, sorte hull osv. Direkte selve det mørke materialet før så langt har det ikke vært mulig å oppdage, dets eksistens ble kun utledet ved hjelp av gravitasjonsmatematiske modeller. Imidlertid tror astronomer at det faktisk kan være fem ganger mer mørk materie i universet enn synlig materie. UW-Madison-teamet har bestemt seg for å avslutte denne usikkerheten.
South Dakota gullgruveeksperiment heter LUX-ZEPLIN, eller forkortet LZ. Det er en utvidet versjon av forrige Large Underground Xenon (LUX) eksperiment og ZEPLIN mørk materie-programmet. Ideen er å oppdage en mørk materiepartikkel når den interagerer med et xenonatom, forårsaker en kjedereaksjon i kammeret som til slutt vil kaste ut ultrafiolett lys og frigjøre en sperre av elektroner. Umiddelbart etter at den flytende xenonen antennes, vil xenongassen i kammeret over den reagere ved å avgi elektroner og avgi en andre lysere lyspuls. Fysikere som jobber med prosjektet beskriver det som en "bjelle" som vil ringe når den utsettes for en partikkel av mørk materie.
"Mørke materiepartikler kan være her i rommet, passere gjennom hodet ditt og muligens av og til kollidere med noen atomer," sa Duncan Carlsmith, professor i fysikk ved UW-Madison, i en pressemelding.
Skjematisk fremstilling av det underjordiske laboratoriet LUX-ZEPLIN
Tidligere denne måneden godkjente departementet for energi sluttfasen av LZ-konstruksjonen ved en gullgruve, offisielt kalt Sanford Underground Research Center. I mellomtiden jobber forskere med en mindre prototype-enhet for å sikre at når den "store" LZ lanseres i 2020, vil den ikke være utsatt for forstyrrelser.
For å sikre at ingenting annet enn mørk materie samhandler med flytende xenon, bygger teamet to eksterne kamre designet for å oppdage og fjerne forurensninger. Kammeret vil bli fylt med 10 tonn flytende xenon og mer enn 500 fotomultiplikatorrør - vakuumrør, som er ultrafølsomme lysdetektorer og vil overvåke LZ. Hvis noe annet enn mørkt materiale bryter resten av xenonet, må detektorene vise at dette er en falsk alarm.
Kampanjevideo:
Så snart installasjonen i den underjordiske gruven er klar og eksperimentet er lansert, gjenstår det bare å vente. Fysikere vil se etter svakt interagerende massive partikler, eller WIMP, som er de hypotetiske byggesteinene for mørk materie. Det antas at mesteparten av tiden WIMP passerer gjennom vanlig materie uten spor, men de kan av og til kollidere med vanlige partikler.
LUX-ZEPLIN-prosjektdeltakerne har samlet en miniatyrkopi av den fremtidige installasjonen. Før du gjennomfører et globalt eksperiment, må du teste det på en mindre og dyrere modell.
LZ vil forbli på i minst fem år, men alle håper at de vil kunne oppdage WIMP-er for første gang, eller på annen måte ekskludere dem som et eterisk stoff som utgjør mørk materie. Andre eksperimenter ved Wisconsin's IceCube Center for Particle Astrophysics, samt prosjekter i Italia og Kina, gjennomfører sine egne eksperimenter for å finne direkte bevis for eksistensen av mørk materie. UW-Madison-fysikere bruker også Large Hadron Collider i et forsøk på å oppdage mørk materie, som oppstår når høyenergipartikler kolliderer. Løpet til oppdagerne av mørk materie er i full gang!
Hvis vi kan finne og måle dette stoffet, vil vi få en større forståelse av hvordan universet fungerer enn noen gang før. Det er mulig at mørk materie utgjør mer enn 25 prosent av hele kosmos, og når vi først har oppdaget de spesifikke egenskapene til materialet, kan det avsløre hemmeligheter som lenge har vært skjult for oss.
