Perburuan materi gelap

Tampilan bawah ke atas dari Eksperimen Bawah Tanah Xenon Gelap Terbesar

Sangat disayangkan bagi fisikawan miskin yang mencari materi gelap - zat eksotis, yang terdiri dari sekitar seperempat dari semua materi di ruang angkasa, berinteraksi dengan seluruh alam semesta hanya melalui gravitasi dan interaksi lemah. Dan satu minggu tidak berlalu tanpa petunjuk baru dari fisikawan yang menggoda materi gelap, muncul pada batas kesalahan statistik, dan kemudian menghilang, menghancurkan harapan mereka.

Untuk mencari materi gelap, sejumlah besar percobaan dilakukan, sup surat lengkap dari singkatan, dan masing-masing menggunakan teknik dan teknologinya sendiri. Jadi fisikawan harus mencari sesuatu yang sifat pastinya tidak diketahui oleh mereka. Masalahnya adalah bahwa meskipun beberapa petunjuk materi gelap ditemukan dalam beberapa percobaan, mereka tidak konsisten satu sama lain. Jika Anda meletakkan hasil percobaan berbeda dalam warna berbeda pada satu grafik, itu akan terlihat seperti seni abstrak.

6 tahun yang lalu, Juan Colard dari University of Chicago penuh harapan untuk deteksi dini materi gelap. Tetapi setiap hasil selanjutnya tampaknya menunjuk ke arah yang baru. Tidak mengherankan bahwa ia memulai laporannya dengan memparafrasekan The Big Lebowski: "Kami adalah nihilis, kami tidak percaya apa pun."

"Selama beberapa tahun terakhir, sepertinya kita mengejar ekor kita sendiri," kata Kolar dalam sebuah wawancara.

Berita baiknya adalah bahwa mungkin ada sesuatu yang mematuk lagi. Fisikawan melihat tanda-tanda di langit dan jauh di bawah tanah, dan mencari tanda-tanda lain di Large Hadron Collider, yang juga berpartisipasi dalam perburuan materi gelap. Bisikan tentang materi gelap menjadi lebih keras, dan beberapa sinyal tampaknya mulai menyatu. Kabar buruknya adalah bahwa petunjuk ini masih tidak konsisten, dan masing-masing terlalu tidak dapat diandalkan, menurut Kathryn Zurek dari University of Michigan. Banyak fisikawan skeptis bahwa tanda-tanda materi gelap dapat ditemukan sama sekali. Beberapa umumnya kecanduan nihilisme, seperti Kolar, yang mengatakan: "Sulit untuk tidak menjadi nihilis, mengingat bagaimana keadaannya."

Masalah misterius

Materi yang biasa terlihat - planet, bintang, galaksi, yang lainnya - hanya mencapai 4,9% dari semua yang ada di Semesta. Sebagian besar, 68,3%, terdiri dari energi gelap, yang bertanggung jawab atas percepatan perluasan ruang. Sisanya - 26,8% - terdiri dari materi gelap.

Jika fisikawan tidak tahu persis apa itu materi gelap, maka mereka yakin akan keberadaannya. Konsep muncul pada tahun 1933 ketika Fritz Zwicky menganalisis kecepatan galaksi dalam satu cluster dan sampai pada kesimpulan bahwa gaya tarik gravitasi yang diberikan oleh materi yang terlihat tidak dapat membuat galaksi bergerak dengan kecepatan tinggi dari melarikan diri dari cluster. Puluhan tahun kemudian, Vera Rubin dan Kent Ford menemukan bukti lain tentang "materi gelap" Zwicky dengan mengamati bintang-bintang yang berputar di tepi galaksi. Bintang-bintang seharusnya bergerak lebih lambat semakin jauh dari pusat galaksi, seperti halnya planet-planet luar tata surya kita bergerak mengelilingi matahari lebih lambat. Sebaliknya, bintang-bintang eksternal bergerak secepat bintang-bintang yang lebih dekat ke pusat, tetapi galaksi tidak membusuk. Sesuatu menambah tarikan gravitasi.

Materi gelap bukan satu-satunya penjelasan. Mungkin perlu untuk memperbaiki model gravitasi Einstein. Banyak model alternatif telah diusulkan, seperti MOND (modifikasi Newtonian dynamics). Rubin sendiri pernah tertarik dengan hal ini, dan mengatakan dalam sebuah wawancara dengan New Scientist pada 2005 bahwa "itu adalah pilihan yang lebih menarik daripada Semesta yang diisi dengan jenis baru partikel subnuklir."


Total massa galaksi di cluster Bullet jauh lebih kecil dari massa dua awan di cluster, yang terdiri dari gas-panas yang memancarkan sinar-X (ditandai dengan warna merah). Area biru, bahkan lebih masif dari semua galaksi dan awan, menunjukkan distribusi materi gelap

Tetapi alam dikesampingkan oleh preferensi estetika kita. Pada tahun 2006, gambar yang mencolok dari Bullet Cluster (1E 0657-56) mengakhiri pertanyaan ini. Di atasnya terlihat dua kelompok galaksi yang saling melewati, dan gas-gas mereka, bertabrakan, menciptakan gelombang kejut dalam bentuk peluru. Hasil analisis ternyata mengejutkan: gas panas (materi biasa) terakumulasi dalam formasi lebih padat di pusat di mana tabrakan terjadi, dan di sisi lain, apa yang hanya bisa menjadi materi gelap terakumulasi. Ketika kelompok bertabrakan, materi gelap melewati, karena sangat jarang berinteraksi dengan materi biasa.

"Saya pikir pada tahap ini kita bisa yakin akan keberadaan materi gelap," kata Dan Hooper, seorang ahli fisika di University of Chicago. "Sejauh yang saya tahu, tidak ada satu pun teori gravitasi yang termodifikasi yang menjelaskan hal ini."

Salah satu kandidat utama untuk partikel materi gelap adalah kelas partikel masif yang berinteraksi lemah, mirip dengan partikel subatomik lain, neutrino, yang juga jarang berinteraksi dengan materi lain. Setelah penemuan boson Higgs , satu era fisika partikel telah berakhir, dan perhatian publik beralih ke penemuan besar baru. Ahli kosmologi Michael Turner dari University of Chicago mengatakan ia menganggap dekade ini sebagai dekade WIMP .

Sinyal / kebisingan

Kebanyakan ahli teori pada awalnya cenderung ke varian WIMP yang berat, dan percaya bahwa materi gelap terdiri dari partikel yang beratnya sekitar 100 GeV. Massa partikel subatomik diukur dalam satuan energi massa, elektron-volt. Misalnya, massa proton adalah 1 GeV. Tetapi bukti terbaru tampaknya mendukung opsi partikel cahaya, di mana massanya berada dalam kisaran 7 hingga 10 GeV. Karena itu, mendaftarkannya secara langsung menjadi sulit, karena banyak percobaan bergantung pada pengukuran recoil inti.

Eksperimen semacam itu biasanya dilakukan jauh di bawah tanah - untuk lebih menyaring sinar kosmik, yang dapat dengan mudah dikacaukan dengan sinyal materi gelap. Mereka melibatkan detektor dengan bahan target yang dipilih dengan cermat, misalnya, kristal germanium atau silikon, atau xenon cair. Kemudian fisikawan menunggu kasus tabrakan partikel materi gelap dan inti atom bahan target yang langka. Ini akan menghasilkan kilatan cahaya, dan jika cukup terang, detektor akan merekamnya.

Ini berarti bahwa untuk mendeteksi partikel materi gelap, ia harus membawa energi yang cukup untuk menghasilkan sinyal yang melebihi ambang sensitivitas detektor ketika bertabrakan dengan nukleus. Dan WIMP ringan cenderung melakukan ini. Neil Weiner dari NYU mengatakan perbedaan dalam skenario WIMP sama dengan perbedaan antara tabrakan antara dua bola bowling dan bola ping pong dengan bola bowling. "Sebuah partikel yang berat secara kinetik jauh lebih mudah untuk mentransfer energi semacam itu daripada cahaya," katanya.

Bagaimana cara fisikawan mencari materi gelap? Lihatlah semburan data yang dikumpulkan oleh detektor. Kekuatan sinyal ditentukan oleh jumlah standar deviasi statistik, atau sigma, dari nilai latar belakang yang diharapkan. Metrik ini sering dibandingkan dengan koin beberapa kali berturut-turut. Hasil tiga sigma sudah merupakan petunjuk serius, setara dengan kehilangan koin di satu sisi sembilan kali berturut-turut.

Banyak dari sinyal ini dilemahkan atau dihilangkan, menjadi kurang penting secara statistik dengan munculnya data baru. Standar emas penemuan adalah lima sigma , setara dengan jatuh ke 21 ekor berturut-turut. Jika beberapa orang melempar koin pada waktu yang sama, dan setiap orang memiliki ekor beberapa kali berturut-turut - atau beberapa percobaan menemukan sinyal tiga sigma dalam satu celah massa - bahkan hasil yang tidak mungkin menjadi mungkin.

Beberapa petunjuk dari materi gelap berada di area rumit 2,8 sigma. "Semua hasil yang menjanjikan ini dapat ditolak dalam seminggu," kata Matthew Buckley dari National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi (Fermilab). "Tapi hal-hal seperti itu selalu dimulai dengan petunjuk." Ketika Anda mengumpulkan lebih banyak data, petunjuk itu menjadi lebih signifikan secara statistik. "

Kebisingan latar belakang menyulitkan tugas. "Kamu mencari" sinyal. " "Latar belakang" adalah segala sesuatu yang menyerupai sinyal Anda dan membuatnya sulit untuk menemukannya, "tulis Matthew Strasler, seorang ahli fisika di Rutgers University, pada sebuah blog pada Juli 2011 . Dia kemudian menambahkan: "Jika Anda tidak memperhitungkan latar belakang yang kecil, biasanya akan muncul dalam bentuk tabrakan energi rendah tambahan, yang akan sangat mirip WIMP ringan. Dengan kata lain, materi gelap terang tampak seperti sinyal yang salah. "

Strasler menyamakan tugas dengan mencoba menemukan sekelompok orang di ruangan yang dipenuhi orang . Jika teman Anda akan memakai jaket merah terang yang sama, dan semua orang akan memakai pakaian dengan warna lain, akan mudah untuk menemukan sinyal. Jika orang lain juga akan memakai jaket merah terang, maka kelompok orang asing acak akan menyembunyikan sinyal. Bayangkan Anda salah memperkirakan jumlah orang dengan jaket merah, atau bahkan Anda buta warna. Dalam setiap kasus ini, Anda akan membuat kesimpulan yang salah: bahwa Anda menemukan teman-teman Anda ketika, pada kenyataannya, sinyal itu adalah sekelompok orang asing acak.

Bukti untuk hari ini

Terlepas dari tantangan-tantangan ini, berbagai eksperimen menghasilkan beberapa hasil yang menjanjikan, walaupun kontroversial. Lebih dari sepuluh tahun yang lalu, percobaan DAMA / LIBRA (mencari materi gelap menggunakan detektor kalium iodida dengan talium ditambahkan), yang terletak jauh di gunung Gran Sasso d'Italia di Italia tengah, menemukan fluktuasi kecil dalam jumlah tabrakan per tahun. Sekelompok ilmuwan mengatakan mereka menemukan partikel materi gelap dalam bentuk WIMP ringan dengan berat sekitar 10 GeV.


DAMA / LIBRA

Fisikawan lain telah menimbulkan keraguan serius. Meskipun sinyal dari DAMA / LIBRA benar-benar ada, itu bisa menjadi bukti dari hal lain. Fakta bahwa dalam percobaan lain, XENON10 , yang terletak di perut gunung yang sama, gagal mendeteksi sinyal di celah energi yang sama, tidak membantu. Hal yang sama terjadi dengan percobaan CDMSII , yang dilakukan di tambang yang dalam di Sudan, Minnesota. Kedua percobaan baru-baru ini cukup sensitif untuk mendeteksi sinyal energi tersebut jika hasil DAMA / LIBRA benar-benar terkait dengan energi gelap.

Eksperimen lain, CRESST , mendeteksi sinyal. Tetapi itu tidak sepenuhnya sesuai dengan sinyal dari DAMA / LIBRA, dan analisisnya tidak dapat memperhitungkan semua suara latar yang mungkin yang dapat meniru sinyal yang diinginkan. Selain itu, DAMA / LIBRA membuat para ilmuwan jengkel dengan menolak berbagi data dengan publik sehingga orang lain dapat mempelajarinya.

Ketika membahas perbedaan antara eksperimen, gairah seringkali mendidih. "Kebetulan Anda membuat laporan tentang materi gelap, dan semuanya berakhir dalam perkelahian," kata Buckley.

Tetapi hasil dari kelompok ilmuwan Italia ternyata cukup stabil. Kolar, bersama dengan kritikus bersemangat lainnya, memutuskan untuk membuktikan kekeliruan dari penemuan DAMA / LIBRA dengan mengorganisir eksperimennya, yang disebut CoGeNT . Pada tahun 2011, rencana ini berantakan, karena analisis awal data CoGeNT mengkonfirmasi hasilnya.

“Kami membangun CoGeNT dengan tujuan mengekspos DAMA, dan sekarang kami tiba-tiba terjebak di ruang parameter yang sama,” kata Kolar. Namun, karena kebakaran di tambang Sudan di mana percobaan berlangsung, penemuan awal diperoleh dari data yang mencakup periode hanya 15 bulan. Dan mereka menunjukkan sinyal 2,8 sigma lain. Sekarang tim Kolar sedang menganalisis data yang diperoleh selama tiga setengah tahun percobaan, yang seharusnya memperkuat sinyal ini - jika itu nyata.


Eksperimen CoGeNT

Keraguan belum hilang. Hasil CDMSII menunjukkan tiga peristiwa dari 10 wilayah GeV yang sama. Dua tahun sebelumnya, dua peristiwa yang mirip dengan materi gelap direkam pada CDMSII, tetapi setelah analisis yang cermat, mereka dibuang. Kali ini ”kami memiliki tiga peristiwa yang jelas,” kata Zurek.

"Jika seseorang melihat materi gelap, maka akan terlihat seperti itu," katanya. Tetapi karena kenyataan bahwa mereka masih pada batas 2,8 sigma, "tidak ada yang akan percaya bahwa ketiga peristiwa ini disebabkan oleh materi gelap sampai orang lain melihatnya." Bukti terbaru telah mendorong fisikawan dengan XENON10 untuk meninjau analisis mereka, dan menyimpulkan bahwa mereka keliru menolak petunjuk WIMP paru-paru yang ditemukan di DAMA / LIBRA.

Tiba-tiba, varian WIMP ringan paling tidak memungkinkan, dan didukung oleh analisis Hooper tentang sinar gamma yang dipancarkan dari pusat Bima Sakti kita, menunjukkan petunjuk sinyal materi gelap yang sesuai dengan varian 10 GeV.

Tapi ini bukan satu-satunya pilihan. WIMP tanpa dinamika yang menarik - tidak peduli seberapa besar massa mereka - hanyalah versi materi gelap yang paling sederhana. Mungkin ada beberapa jenis partikel materi gelap, dengan berbagai jenis interaksi melalui kekuatan gelap yang membentuk "sektor gelap" seluruh Alam Semesta, yang baru saja mulai dijelajahi oleh para ahli teori. Weiner percaya bahwa model dengan kekuatan gelap adalah "cara paling mudah untuk menjelaskan beberapa anomali ini," tetapi ia memperingatkan bahwa demonstrasi prototipe masih jauh. Zyurek setuju: "Pada prinsipnya, kita dapat menuliskan sejumlah teori, tetapi alam hanya perlu memilih satu," katanya.

Kapan kita bisa mengetahui apakah semua petunjuk ini nyata? Mungkin selama tahun ini, mungkin harus menunggu lebih lama. Namun, fisikawan yang berusaha menemukan materi gelap mungkin segera menemukan batasan yang lebih pragmatis: pemotongan anggaran. Berbagai eksperimen penting untuk pencarian. "Karena kita tidak tahu dari apa fisika partikel gelap berinteraksi dengan normal, beberapa percobaan berbeda meminimalkan kemungkinan hilangnya materi gelap karena pilihan yang salah, dan jika ada sesuatu yang ditemukan dalam beberapa percobaan, akan mungkin untuk membuang model teoritis lebih cepat," kata Buckley. Namun, semua eksperimen diperlukan untuk melaporkan hasilnya ke Departemen Energi AS, dan hanya 2-3 yang akan dapat bertahan.

"Departemen menertibkan," kata Kolar. - Keragaman baik, tetapi jumlah uang terbatas. Jika detektor dalam pembangunan gagal, akan sangat sulit untuk menemukan motivasi untuk melanjutkan. "

Catatan Penerjemah; sejak penulisan artikel asli:

• Detektor CRESST diperbarui pada 2015, meningkatkan sensitivitas hingga 100 kali sehingga sekarang mampu mendeteksi partikel materi gelap dengan massa kira-kira sama dengan massa proton. Dia digantikan oleh eksperimen European Underground Rare Event Calorimeter Array (EURECA).
• Detektor CDMSII digantikan oleh detektor SuperCDMS generasi terbaru
• Hasil percobaan CoGeNT diproses, dan disimpulkan bahwa sinyal yang diterima yang diterima sebagai WIMP tidak dihitung untuk kebisingan latar belakang.
• Pada tahun 2016, detektor XENON10 digantikan oleh XENON1T yang lebih sensitif, meningkatkan sensitivitas hingga 100 kali lipat.
• Untuk mereproduksi sensor DAMA / LIBRA di Australia, Laboratorium Fisika Bawah Tanah Stawell (SUPL) sedang dibangun.
• Pada Februari 2017, tidak ada bukti meyakinkan yang diperoleh tentang deteksi partikel materi gelap.