Szukając ciemnej materii

– Jeśli nasz eksperyment zakończy się sukcesem, będzie to jedno z największych odkryć w historii nauki – mówi dr Paweł Majewski, kierownik zespołu pracującego przy projekcie LUX-ZEPLIN, mającego na celu odkrycie ciemnej materii. Z polskim naukowcem zakotwiczonym w Abingdon rozmawia Piotr Gulbicki.

Czym w istocie jest ciemna materia?

– Wypełniającą wszechświat hipotetyczną materią, która ani nie emituje, ani nie absorbuje światła. O jej występowaniu wiemy pośrednio – dzięki badaniom kosmosu, a w szczególności obserwacji efektu jej oddziaływania z naszą materią poprzez grawitację. Obecnie szacuje się, że ciemnej materii jest pięć razy więcej niż tej, którą znamy.

Są empiryczne dowody na to, że rzeczywiście istnieje?

– Póki co, nie. W latach 30. ubiegłego stulecia holenderski astronom Jan Hendrik Oort, słynny badacz Drogi Mlecznej, obliczając prędkość gwiazd na jej krańcach stwierdził, że żeby mogły się one trzymać naszej galaktyki potrzebna jest siła grawitacji o wiele większa niż ta, wytwarzana przez masę wszystkich obiektów galaktyki. Uzasadniając swoją obserwację Oort zauważył, że musi istnieć jakaś dodatkowa, trudna do bezpośredniego zaobserwowania materia, wypełniająca przestrzeń i oddziałująca grawitacyjnie tak, że dzięki niej nasza galaktyka pozostaje w całości.

Do podobnych wniosków doszedł szwajcarski astronom Fritz Zwicky, który w 1933 roku badał prędkość obiektów w grupie Coma, zawierającej około 1000 galaktyk, a oddalonej od ziemi o 300 milionów lat świetlnych. Zwicky wykazał, że galaktyki w tej grupie poruszają się z prędkościami o wiele większymi niż te, na które pozwalałaby siła grawitacyjna masy wszystkich galaktyk. Aby wyjaśnić to zjawisko skonstatował, że musi występować niewidzialna materia utrzymująca razem galaktyki w grupie Coma, którą nazwał „dunkle materie”.

Z kolei w 1970 roku amerykańska astronom Vera Rubin badała prędkości ruchu gwiazd w galaktyce Andromedy. Zgodnie z modelem wynikającym z praw grawitacji, opisanym przez równania Newtona, powinny one maleć wraz ze wzrostem odległości od centrum galaktyki. Jednak wykonane przez Rubin pomiary prędkości bynajmniej nie malały, a jedynie osiągały stałą wartość aż po granice galaktyki. W tym przypadku, podobnie jak w poprzednich, jedynym wyjaśnieniem jest odwołanie się do istnienia niewidzialnej materii, która poprzez dodatkową siłę grawitacji utrzymuje całą galaktykę, nawet z szybko wirującymi gwiazdami, na jej obrzeżach.

Obserwacji astronomicznych postulujących występowanie ciemnej materii jest znacznie więcej. Warto jednak wspomnieć o dwóch zgoła odmiennych badaniach wszechświata, z których wiemy, że nie jest to tylko byt teoretyczny. Rozpoczęty w 2001 roku eksperyment NASA o nazwie „Wilkinson Microwave Anisotropy Probe”, dzięki badaniom fluktuacji powstałego po Wielkim Wybuchu kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, zmierzył podstawowe własności wszechświata – ustalając jego wiek na prawie 14 miliardów lat oraz składniki z jakich jest zbudowany. Otóż 72 proc. stanowi ciemna energia, 5 proc. nasza materia, a 23 proc. ciemna materia. Dodatkowo istnienie tej ostatniej, jako fundamentalnego budulca wszechświata, zostało potwierdzone w szczegółowych symulacjach komputerowych. Wyniki z dużą dokładnością są porównywalne z obserwacjami z teleskopu Hubble’a.

Jednak ciemna materia ciągle nie została odkryta.

– Dlatego w różnych miejscach na świecie prowadzonych jest kilkanaście eksperymentów zajmujących się jej poszukiwaniem. Są one rozlokowane w laboratoriach pod ziemią oraz w tunelach pod górami, a do badań używa się różnych materiałów, takich jak german, krzem czy jodek sodu. A także ciekłych gazów szlachetnych, argonu i ksenonu, w których oddziaływanie cząstki ciemnej materii i depozyt części jej energii wywołałoby powstanie sygnału – świetlnego (scyntylacja), elektrycznego (jonizacja) bądź cieplnego.

Zakładając, że cząstki ciemnej materii oddziałują z naszą materią nie tylko grawitacyjnie, z modeli teoretycznych wiemy, iż owe oddziaływania byłyby bardzo rzadkie, co wymaga budowy aparatury ekstremalnie czułej na wykrycie promieniowania jonizującego. Sygnatura wykrycia cząstek ciemnej materii byłaby identyczna do tej, którą widzimy, kiedy z materiałem detektora oddziałuje neutron – elektrycznie obojętna cząstka, będąca podstawowym budulcem naszej materii. Największymi niedogodnościami w eksperymencie są tło wytworzone przez promieniowanie kosmiczne, a także promieniowane materiału, który go otacza i z którego zbudowany jest sam eksperyment. Ten pierwszy problem można łatwo pokonać poprzez umieszczenie eksperymentu głęboko pod ziemią, gdzie na głębokości kilometra promieniowanie kosmiczne jest milion razy mniejsze niż na powierzchni. Natomiast neutralizacja pozostałych kwestii wymaga użycia materiałów o bardzo niskiej zawartości pierwiastków, takich jak uran, tor czy potas, których śladowe ilości są prawie w każdym materiale. Każda część eksperymentu, żeby mogła zostać w nim użyta, musi przejść precyzyjną selekcję pomiaru radioaktywności. Niepoprawny wybór może zaważyć na sukcesie badań.

Jaka jest pana w nich rola?

– Zespół, którym kieruję, składa się z dwóch inżynierów i czterech fizyków. Jesteśmy odpowiedzialni za dwa elementy detektora – kriostat, utrzymujący 10 ton ciekłego ksenonu w temperaturze -100 C oraz za mechanizm doprowadzający do niego źródła promieniowania w celu kalibracji wykrywacza.

Przez ostatnie dwa lata szukaliśmy materiału do jego budowy. Wybór był pomiędzy stalą a tytanem. W szeroko zakrojonej kampanii zbadaliśmy około 40 różnych próbek metalu pochodzących z różnych hut, z różnych zakątków świata i znaleźliśmy jedną, która dzięki używanej technologii może dostarczyć tytan o bardzo niskiej radioaktywności. W przemyśle medycznym ten typ tytanu używany jest do produkcji obudowy rozrusznika serca. Trzeba podkreślić, że mówimy tu o ilościach promieniotwórczości milion razy mniejszej niż na przykład występująca w bananach czy orzechach brazylijskich, które zawierają znaczne ilości promieniotwórczego pierwiastka potasu-40.

Eksperyment, przy którym pracuję, nosi nazwę LUX-ZEPLIN. To połączenie kryptonimów amerykańskiego eksperymentu LUX, obecnie zbierającego dane i będącego liderem w poszukiwaniu ciemnej materii oraz brytyjskiego programu ZEPLIN. Ten drugi przez ostatnie dziesięć lat pracował nad tym zagadnieniem, a jego owocem było wybudowanie trzech różnej wielkości detektorów, które działały w podziemnym laboratorium umieszczonym w kopalni w Boulby w hrabstwie Yorkshire. Wydobywa się w niej odmianę soli o nazwie „potash”, używaną jako sztuczny nawóz.

LUX-ZEPLIN to efekt współpracy ponad 30 uniwersytetów i instytutów naukowych ze Stanów Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii, Chin, Portugalii i Rosji; w projekt zaangażowanych jest około 180 fizyków i inżynierów. Budowa eksperymentu ma się zakończyć w 2018 roku, a przez kolejne trzy lata planowane jest poszukiwanie ciemnej materii. Będzie to największy i najbardziej czuły detektor zbudowany w historii.

Czego użyjecie do odkrycia ciemnej materii?

– Ciekłego ksenonu utrzymywanego w temperaturze -100 C. Ten materiał świetnie się do tego nadaje ze względu na trzykrotnie większą gęstość niż woda oraz świecenie przy oddziaływaniu z promieniowaniem. Światło z ksenonu będzie rejestrowane przez około 500 specjalnych detektorów. W eksperymencie LUX-ZEPLIN zostanie użytych 10 ton tego materiału – wyprodukowanie tak dużej jego ilości wymaga wielu lat pracy fabryk na całym świecie.

Dotychczasowe badania nie wykazały sygnału bezpośredniego oddziaływania ciemnej materii z ksenonem.

– Nie wykazały, niemniej każdy nowy detektor jest większy i bardziej wyspecjalizowany w izolacji przypadków tła, które są źródłem limitującym czułość eksperymentu na sygnały o bardzo małym prawdopodobieństwie wystąpienia.

Co w praktyce oznacza odnalezienie ciemnej materii?

– Nasza wiedza poszerzy się o znajomość jednego z najważniejszych budulców wszechświata; będzie to niewątpliwie jedno z największych odkryć w historii nauki.

W jaki sposób trafił pan do zespołu zajmującego się tą tematyką.

– Pochodzę z Warszawy, ukończyłem fizykę na Uniwersytecie Warszawskim. Moją pracę magisterską przygotowywałem w laboratorium CERN w Genewie, natomiast jako doktorant otrzymałem trzyletnie stypendium naukowe Ambasady Francji w Polsce, w ramach którego prowadziłem badania na mojej macierzystej uczelni oraz na Uniwersytecie Ludwika Pasteura w Strasburgu. Na tym drugim w 2002 roku obroniłem doktorat, po czym dostałem dwuletnie stypendium z Włoskiego Instytutu Badań Jądrowych i Cząstek Elementarnych. Po roku pobytu na Uniwersytecie w Bari dostałem propozycję z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku, gdzie pracowałem w grupie profesor Eleny Aprile. W ciągu trzech lat badań nad detektorami wypełnionymi ciekłym ksenonem wspólnie wykonaliśmy wiele pomiarów oddziaływania promieniowania jonizującego ze szczególnym uwzględnieniem neutronów, które do dziś stanowią trzon tej dziedziny i dały podwaliny do eksperymentu o nazwie XENON.

Moją następną przystanią był Uniwersytet w Sheffield. Przez trzy lata pracowałem przy wspomnianym wcześniej projekcie ZEPLIN – brytyjskim programie poszukiwania ciemnej materii przy użyciu detektorów z ksenonem. Laboratorium, gdzie działał wówczas wykrywacz drugiej generacji ZEPLIN-II, znajduje się na głębokości 1100 metrów w kopalni potasu w Boulby w północnym Yorkshire.

Następnie dostałem pracę w Rutherford Appleton Laboratory, gdzie około 20 lat temu rozpoczęto w Wielkiej Brytanii badania nad ciemną materią i przeprowadziłem się do Abingdon – miejscowości w której obecnie mieszkam. Najpierw pracowałem nad trzecią generacją ZEPLIN-III, przy którym w podziemnym laboratorium w Boulby spędziłem ponad sto dni, jako jeden z głównych jego operatorów. Detektor działał bez przerwy przez 318 dni, co jest światowym rekordem, jeśli chodzi o długość eksperymentu z ciekłym ksenonem. Po zakończeniu tego programu szef mojego zespołu prof. Nigel Smith został dyrektorem SNOLAB, najgłębiej zlokalizowanego laboratorium na świecie, mieszczącego się w Kanadzie na poziomie 2000 metrów pod ziemią. Po jego wyjeździe zostałem kierownikiem zespołu w RAL i rozpocząłem dwuletni projekt R&D nad kontynuacją poszukiwań ciemnej materii w ramach współpracy LUX-ZEPLIN. Kilka miesięcy temu jego konstrukcja została zaaprobowana w Stanach Zjednoczonych przez Department of Energy oraz w Wielkiej Brytanii przez Science and Technology Facilities Council. Będzie to największy i najbardziej czuły detektor na świecie mający na celu odkrycie ciemnej materii. Eksperyment będzie prowadzony na głębokości 1400 metrów w podziemnym laboratorium Sanford Underground Research Facility w Północnej Dakocie. Jego budowa planowana jest na trzy lata, po czym nastąpi trzyletni okres zbierania danych i jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem za sześć lat będziemy świadkami epokowego odkrycia…

PIOTR GULBICKI