Perburuan baru untuk materi gelap terjadi di bawah gunung

David D'Angelo tidak selalu tertarik pada materi gelap, tetapi sekarang ia telah berada di garis depan dalam perburuan partikel yang paling sulit dipahami di alam semesta.

Sekitar satu jam perjalanan dari Roma, ada gugusan pegunungan padat yang disebut Gran Sasso d'Italia . Mereka terkenal dengan keindahan alamnya dan menarik wisatawan sepanjang tahun, menawarkan resor ski kelas dunia dan jalur hiking di musim dingin, serta kesempatan untuk berenang di musim panas. Bagi fisikawan Italia berusia 43 tahun, David D'Angelo, gunung-gunung ini seperti rumah kedua. Tidak seperti kebanyakan pengunjung Gran Sasso, D'Angelo menghabiskan sebagian besar waktunya di bawah gunung, bukan pada mereka.

Di sana, di ruang yang sangat luas, ribuan meter di bawah permukaan bumi, D'Angelo sedang mengerjakan generasi baru percobaan yang didedikasikan untuk memburu partikel-partikel materi gelap - suatu bentuk materi eksotis yang keberadaannya diperkirakan telah terjadi selama beberapa dekade, tetapi belum terbukti secara eksperimental.

Dipercayai bahwa dark matter membentuk 27% dari alam semesta, dan deskripsi substansi yang sulit dipahami ini adalah salah satu masalah paling akut dari fisika modern. Meskipun D'Angelo optimis percaya bahwa terobosan akan terjadi selama masa hidupnya - generasi fisikawan sebelumnya berpikir dengan cara yang sama. Pada prinsipnya, ada peluang bagus bahwa partikel yang diinginkan oleh D'Angelo tidak ada sama sekali. Namun, bagi para fisikawan yang menyelidiki sifat dasar Alam Semesta, kesempatan untuk mengejar seluruh karier dalam "perburuan hantu", seperti yang dikatakan D'Angelo, adalah harga kemajuan ilmu pengetahuan.

Apa yang ada di bawah "batu besar"?

Pada tahun 1989, Institut Nasional Fisika Nuklir Italia membuka Laboratorium Nasional di Gran Sasso , laboratorium bawah tanah terbesar di dunia yang didedikasikan untuk astrofisika. Tiga gua bawah tanah yang berlimpah di Gran Sasso dibangun khusus untuk fisikawan - tempat yang cukup apik untuk pusat penelitian. Sebagian besar laboratorium astrofisika bawah tanah, seperti SNOLAB , diatur secara spontan menggunakan tambang lama atau yang beroperasi, dan fakta ini membatasi jumlah waktu yang dapat dihabiskan di laboratorium dan jenis peralatan yang digunakan.

Gran Sasso, yang terletak satu kilometer di bawah tanah untuk melindunginya dari sinar kosmik bising yang mencuci planet ini, melindungi beberapa percobaan dalam fisika partikel, menyelidiki dasar-dasar alam semesta. Selama beberapa tahun terakhir, D'Angelo telah membagikan grafiknya antara Observatorium Borexino dan Sodium Iodide dengan Eksperimen Penolakan Latar Belakang Aktif ( SABER ), yang masing-masing mempelajari neutrino matahari dan materi gelap.


D'Angelo dengan prototipe SABER yang berfungsi

Selama 100 tahun terakhir, deskripsi neutrino matahari dan materi gelap dianggap sebagai tugas paling penting dari fisika partikel. Saat ini, misteri neutrino matahari telah terpecahkan, tetapi partikel-partikel ini masih sangat menarik bagi fisikawan, karena mereka memberikan banyak informasi tentang fusi nuklir yang terjadi di Matahari kita dan bintang-bintang lainnya. Tetapi komposisi materi gelap masih dianggap sebagai salah satu masalah terbesar dalam fisika nuklir. Terlepas dari sifat yang sangat berbeda dari partikel-partikel ini, pertanyaan-pertanyaan dari studi mereka masih terkait, karena partikel-partikel ini hanya dapat dideteksi dalam kondisi radiasi latar minimal: dalam ribuan meter di bawah tanah.

"Gunung-gunung bekerja seperti perisai, jadi jika Anda berada di bawahnya, Anda mengalami apa yang disebut" keheningan kosmik, "kata D'Angelo. "Ini adalah bagian paling favorit dari penelitianku: kamu pergi ke gua, mulai bekerja dengan detektor dan mencoba memahami sinyal yang kamu lihat."

Setelah lulus, D'Angelo mendapat pekerjaan di Institut Nasional Fisika Nuklir Italia, di mana penelitiannya berfokus pada neutrino matahari, partikel subatomik tanpa muatan, yang dihasilkan dari fusi nuklir di matahari. Selama hampir empat dekade, neutrino matahari telah menjadi pusat dari salah satu misteri astrofisika terbesar. Masalahnya adalah bahwa instrumen yang mengukur energi neutrino matahari menghasilkan hasil yang jauh lebih sedikit daripada yang diprediksi oleh Model Standar - teori paling akurat tentang partikel fundamental dalam fisika.

Mengingat seberapa akurat model standar dalam aspek kosmologi lain, fisikawan tidak ingin membuat perubahan untuk menjelaskan perbedaan ini. Satu penjelasan yang mungkin adalah bahwa fisikawan membuat model Matahari yang salah, dan bahwa perlu untuk melakukan pengukuran peningkatan tekanan dan suhu di intinya. Namun, setelah serangkaian pengamatan pada 60-an dan 70-an, ternyata, secara keseluruhan, model-model Matahari disusun dengan benar, dan kemudian fisikawan beralih ke neutrino untuk penjelasan alternatif.

Kisah Tiga Neutrino

Sejak fisikawan Austria Wolfgang Pauli pertama kali mengusulkan keberadaan neutrino pada 1930-an, mereka secara konstan tertarik untuk melubangi teori. Dalam kasus Pauli, asumsi keberadaan partikel yang sangat ringan tanpa muatan adalah "cara putus asa" untuk menjelaskan mengapa hukum kekekalan energi tidak bekerja selama peluruhan radioaktif. Tiga tahun kemudian, fisikawan Italia Enrico Fermi memberi nama partikel hipotetis ini. Dia menyebut mereka " neutrino, " yang dalam bahasa Italia berarti "neutron kecil."

Seperempat abad setelah asumsi Pauli, dua fisikawan Amerika melaporkan bukti pertama neutrino dalam reaktor nuklir. Tahun berikutnya, 1957, Bruno Maksimovich Pontecorvo , seorang fisikawan keturunan Italia yang bekerja di Uni Soviet, mengembangkan teori osilasi neutrino . Pada saat itu, sifat-sifat neutrino kurang dipelajari, dan Pontecorvo menyarankan bahwa ada beberapa jenis neutrino. Dalam hal ini, ia menyarankan, mungkin saja neutrino dapat mengubah tipenya.

Pada 1975, teori Pontecorvo terbukti. Tiga jenis atau "aroma" berbeda dari neutrino ditemukan: elektron, muon, dan tau. Penting juga bahwa pengamatan dalam percobaan di South Dakota menunjukkan bahwa matahari menghasilkan neutrino elektron. Satu-satunya masalah adalah bahwa neutrino lebih sedikit terdeteksi dalam percobaan daripada yang diprediksi Model Standar.

Sampai akhir 90-an, ada sedikit bukti bahwa neutrino dapat berpindah dari satu rasa ke rasa lainnya. Pada tahun 1998, sekelompok peneliti yang bekerja di Super Kamiokande Observatory di Jepang mengamati osilasi neutrino atmosfer, yang timbul terutama dari interaksi foton dengan atmosfer Bumi. Tiga tahun kemudian, bukti langsung pertama dari osilasi neutrino surya diperoleh di Sudbury Canadian Observatory (SNO).

Singkatnya, ini telah menjadi peristiwa besar dalam kosmologi. Misteri neutrino surya yang hilang, atau mengapa sekitar sepertiga dari neutrino yang terbang dari Matahari diamati dalam eksperimen, dibandingkan dengan prediksi Model Standar. Jika neutrino bisa berosilasi, mengubah aromanya, maka neutrino yang dipancarkan oleh inti Matahari sudah bisa dari berbagai jenis pada saat mereka mencapai Bumi. Sampai pertengahan 80-an, dalam sebagian besar percobaan di Bumi, hanya neutrino elektron yang dicari, yang berarti bahwa mereka melewatkan dua rasa lain yang muncul di sepanjang jalur dari Matahari ke Bumi.

Ketika SNO dikandung pada tahun 80-an, ia dirancang sedemikian rupa sehingga dapat mendeteksi ketiga jenis neutrino, bukan hanya yang elektronik. Dan keputusan ini membuahkan hasil. Pada 2015, direktur percobaan super-Kamiokande dan SNO berbagi Hadiah Nobel dalam fisika untuk memecahkan misteri hilangnya neutrino surya.


Detektor di Boreksino

Meskipun misteri neutrino matahari telah dipecahkan, masih banyak yang harus dilakukan dalam sains untuk lebih memahami mereka. Sejak 2007, Observatorium Borexino di Gran Sasso telah meningkatkan pengukuran getaran neutrino matahari, memberikan fisikawan informasi yang belum pernah terjadi sebelumnya tentang fusi nuklir yang memberi makan Matahari. Di luar, observatorium tampak seperti bola logam besar, dan di dalamnya tampak seperti teknologi yang berasal dari planet lain.

Di pusat bola, sebenarnya, tas nilon transparan besar dengan diameter 10 m dan ketebalan setengah milimeter. Kantong berisi cairan sintetik, campuran kimia yang melepaskan energi ketika neutrino melewatinya. Bola nilon ini tersuspensi dalam seribu ton cairan buffer yang dimurnikan dan dikelilingi oleh 2.200 sensor yang mampu mendeteksi energi yang dipancarkan oleh elektron, yang dilepaskan ketika neutrino berinteraksi dengan scintillator cair. Ada buffer lain, terdiri dari 3.000 ton air ultra murni, yang memberikan perlindungan tambahan untuk detektor. Semua ini bersama-sama memberikan perlindungan terbesar dari observatorium dari radiasi sekitar di antara semua kilau cair di dunia.

Dalam dekade terakhir, fisikawan di Borexino - termasuk D'Angelo, yang bergabung dengan proyek ini pada 2011 - telah menggunakan perangkat unik ini untuk mengamati neutrino surya berenergi rendah yang dihasilkan oleh tabrakan proton selama fusi nuklir dalam inti surya. Mengingat betapa sulitnya mendeteksi partikel ultralight ini tanpa biaya, yang hampir tidak berinteraksi dengan materi, praktis tidak mungkin untuk mendeteksi neutrino surya berenergi rendah tanpa mesin yang sensitif. Ketika SNO secara langsung mendeteksi osilasi pertama neutrino matahari, ia hanya bisa mengamati neutrino surya paling energik karena gangguan dari radiasi latar. Dan ini hanya berjumlah sekitar 0,01% dari neutrino yang dipancarkan oleh Matahari. Sensitivitas Boreksino memungkinkannya untuk mengamati neutrino surya dengan energi dengan urutan lebih rendah dari yang ditemukan oleh SNO, yang membuka kemungkinan menciptakan model proses surya yang sangat halus dan fenomena yang lebih eksotis seperti supernova.

"Fisikawan membutuhkan waktu 40 tahun untuk mengetahui neutrino surya, dan itu adalah salah satu misteri fisika partikel paling menarik," kata D'Angelo kepada saya. "Sesuatu seperti apa dark matter itu sekarang."

Menumpahkan cahaya pada materi gelap

Jika neutrino adalah partikel misterius abad ke-20, maka materi gelap adalah teka-teki zaman kita. Dengan cara yang sama seperti yang diusulkan Pauli neutrino sebagai alat putus asa untuk menjelaskan mengapa percobaan tampaknya melanggar salah satu hukum alam yang paling mendasar, keberadaan partikel materi gelap disarankan, karena pengamatan kosmologis tidak bertemu.

Pada awal 1930-an, astronom Amerika Fritz Zwicky mempelajari gerakan beberapa galaksi di Cluster Rambut Veronica, kumpulan lebih dari 1000 galaksi yang terletak sekitar 320 juta tahun cahaya dari Bumi. Menggunakan data yang diterbitkan oleh Edwin Hubble , Zwicky menghitung massa seluruh gugus galaksi Rambut Veronica. Ketika selesai, ia menemukan sesuatu yang aneh dalam dispersi kecepatan galaksi (distribusi statistik kecepatan sekelompok objek): distribusi kecepatan adalah 12 kali lebih tinggi dari nilai yang dihitung berdasarkan jumlah materi.


Di laboratorium Gran Sasso

Itu perhitungan yang tidak terduga dan pentingnya tidak luput dari Zwicky. "Jika ini dikonfirmasi, " tulisnya , "kita akan mendapatkan hasil yang luar biasa, yang menurutnya akan ada lebih banyak materi gelap daripada bercahaya."

Gagasan bahwa Semesta terutama terdiri dari materi tak kasat mata tampak radikal pada zaman Zwicky - tetap demikian hingga saat ini. Namun, perbedaan utama adalah bahwa para astronom saat ini memiliki lebih banyak bukti empiris yang menunjukkan keberadaannya. Sebagian besar, ini dapat dikaitkan dengan Vera Rubin , seorang astronom Amerika yang pengukuran rotasi galaksi pada 1960-an dan 70-an menghilangkan semua keraguan tentang keberadaan materi gelap. Berdasarkan pengukuran Rubin dan pengamatan selanjutnya, fisikawan percaya bahwa materi gelap membentuk sekitar 27% dari semua materi di alam semesta - sekitar tujuh kali lebih banyak daripada materi baryonic biasa yang kita tahu. Pertanyaan utamanya adalah terdiri dari apa itu?

Sejak pengamatan perintis, Rubin telah menawarkan banyak kandidat untuk judul partikel materi gelap, tetapi sejauh ini mereka semua menghindari deteksi bahkan oleh instrumen yang paling sensitif di dunia. Sebagian karena fisikawan tidak yakin apa yang mereka cari. Sebagian kecil fisikawan umumnya percaya bahwa materi gelap mungkin bukan partikel, tetapi bisa menjadi efek gravitasi yang eksotis. Ini membuat desain eksperimen mirip dengan mencari mobil di tempat parkir dekat stadion yang sesuai dengan kunci yang baru ditemukan. Ada kemungkinan mobil itu ada di tempat parkir, tetapi Anda harus melewati banyak pintu sampai Anda menemukannya - jika memang ada di sana.

Di antara kandidat materi gelap ada partikel subatomik dengan nama-nama bodoh seperti axion , gravitino , halo kompak astrofisika besar (MACHO) dan partikel masif berinteraksi lemah (WIMP). D'Angelo dengan rekan-rekan dari Gran Sasso memakai WIMP, yang hingga saat ini dianggap sebagai kandidat utama untuk energi gelap.

Namun, selama beberapa tahun terakhir, fisikawan telah mulai mencari kemungkinan lain, setelah beberapa tes kritis gagal untuk mengkonfirmasi keberadaan WIMP. WIMP adalah kelas partikel elementer hipotetis yang praktis tidak berinteraksi dengan materi baryonik biasa dan tidak memancarkan cahaya, yang membuatnya sangat sulit dideteksi. Masalah ini diperparah oleh fakta bahwa tidak ada yang tahu persis bagaimana tampilan WIMP. Tak perlu dikatakan, sangat sulit untuk menemukan apa pun jika Anda bahkan tidak yakin apa yang sebenarnya Anda cari.

Jadi mengapa fisikawan berpikir bahwa WIMP bahkan ada? Pada 1970-an, fisikawan menyusun Model Standar fisika partikel, yang mengklaim bahwa segala sesuatu di alam semesta terdiri dari sekumpulan kecil partikel fundamental. Model Standar dengan sempurna menjelaskan hampir semua yang dapat diberikan oleh Semesta, tetapi masih belum lengkap karena gravitasi tidak termasuk. Pada 1980-an, ekspansi SM muncul dengan nama supersimetri , yang menurutnya setiap partikel fundamental SM harus memiliki pasangan. Pasangan-pasangan ini dikenal sebagai partikel supersimetrik, dan digunakan dalam penjelasan teoretis dari berbagai teka-teki fisika SM, misalnya, massa boson Higgs dan keberadaan materi gelap. Beberapa eksperimen paling kompleks dan mahal di dunia, seperti Large Hadron Collider, diciptakan dalam upaya untuk menemukan mitra supersimetrik ini, tetapi sejauh ini tidak ada bukti eksperimental yang diterima tentang keberadaan mereka.

Banyak partikel paling ringan yang diusulkan dalam model supersimetrik adalah WIMP, dan mereka memiliki nama seperti gravitino, sneytrino, dan neutralino. Banyak fisikawan masih menganggap yang terakhir dari mereka kandidat utama untuk materi gelap, dan mereka berpikir bahwa di alam semesta awal itu terbentuk dalam jumlah besar. Menemukan bukti keberadaan partikel teoretis kuno ini adalah tujuan dari banyak eksperimen dengan TM, termasuk yang sedang digarap D'Angelo di Gran Sasso.

D'Angelo mengatakan kepada saya bahwa ia menjadi tertarik pada materi gelap beberapa tahun setelah ia bergabung dengan laboratorium Gran Sasso dan mulai berkontribusi pada eksperimen DarkSide , yang tampaknya merupakan kelanjutan alami dari karyanya tentang neutrino surya. DarkSide, pada kenyataannya, adalah tangki besar yang diisi dengan argon cair dan dilengkapi dengan sensor yang sangat sensitif. Jika WIMP ada, fisikawan percaya bahwa mereka akan dapat mendeteksi mereka karena ionisasi, yang muncul karena interaksinya dengan argon nuclei.

DarkSide telah pergi ke Gran Sasso sejak 2013, dan D'Angelo mengatakan akan berlanjut selama beberapa tahun lagi. Namun, ia sekarang telah terlibat dalam percobaan lain dengan TM di Gran Sasso yang disebut SABER , yang juga mencari bukti langsung dari kehadiran partikel TM berdasarkan cahaya yang muncul ketika energi dilepaskan sebagai hasil dari tabrakan mereka dengan kristal natrium iodida.

Perangkat percobaan SABER secara khusus dibuat agar terlihat seperti percobaan lain yang telah dilakukan di Gran Sasso sejak 1995, dengan nama DAMA. Pada tahun 2003, percobaan DAMA mulai mencari fluktuasi musiman partikel materi gelap yang diprediksi pada 1980-an sebagai konsekuensi dari pergerakan Bumi dan Matahari relatif terhadap seluruh galaksi. Teorinya mengatakan bahwa kecepatan relatif dari setiap partikel materi gelap yang ditemukan di Bumi harus mencapai maksimum pada bulan Juni dan minimum pada bulan Desember.


David D'Angelo

Selama hampir 15 tahun, DAMA memang telah mencatat fluktuasi musiman pada detektor yang konsisten dengan teori dan dengan tanda tangan yang diharapkan dari partikel TM. Tampaknya DAMA adalah eksperimen pertama di dunia yang menemukan partikel materi gelap. Tetapi masalahnya adalah bahwa DAMA tidak dapat sepenuhnya mengecualikan kemungkinan bahwa tanda tangan yang ia temukan terkait dengan beberapa fluktuasi musiman Bumi, dan tidak dengan perubahan dalam aliran materi gelap yang terkait dengan pergerakan Bumi di sekitar Matahari.

SABER harus menghilangkan ambiguitas dalam data DAMA. Setelah semua cacat dihilangkan dalam peralatan, percobaan di Gran Sasso akan menjadi setengah SABER. Setengah lainnya akan berlokasi di Australia, di bekas tambang emas. Kehadiran laboratorium di belahan utara dan selatan harus membantu menghilangkan semua positif palsu yang terkait dengan fluktuasi musiman normal. SABRE , .

SABRE , . , ', – .

«, , , , , , — '. – -, , ».

' . « , , , — '. – , . , – ».

- Golovanov.net . e-mail, RSS . .

. , !