În adâncurile Alpilor francezi, o echipă de oameni de știință folosește un detector ultrasensibil pentru a vâna una dintre cele mai misterioase substanțe din Univers: materia întunecată. Deși este invizibilă și nu poate fi observată direct, prezența ei este trădată de forța gravitațională pe care o exercită, ținând laolaltă galaxii întregi și făcând stelele să se rotească mai repede decât ar trebui.
O nouă cercetare, publicată în Physical Review Letters, descrie cum un experiment inovator, numit DAMIC-M, folosește o „cameră” specială pentru a căuta semnalele slabe ale interacțiunilor materiei întunecate, sperând să-i dezvăluie natura.
O ipoteză principală este că materia întunecată e formată din particule încă necunoscute, care interacționează extrem de slab cu materia obișnuită. „Până acum, căutarea s-a concentrat pe WIMP-uri (particule masive cu interacțiune slabă), mult mai grele decât un proton. Dar WIMP-urile nu au fost găsite, în ciuda căutărilor extrem de sensibile.”, a explicat profesorul Paolo Privitera de la Universitatea din Chicago, purtătorul de cuvânt al colaborării DAMIC-M.
Nici cele mai avansate acceleratoare de particule, precum Marele Accelerator de Hadroni de la CERN, nu au reușit să le detecteze. Prin urmare, astrofizicienii își extind acum căutarea către particule mai ușoare, o provocare ce necesită instrumente cu o sensibilitate fără precedent.
Experimentul DAMIC-M, situat la 1.500 de metri sub pământ, este conceput exact pentru această misiune. Deși în prima sa fază nu a găsit încă materia întunecată, a reușit deja să excludă existența mai multor particule candidate, cunoscute ca materie întunecată din „sectorul ascuns”.
Un detector pentru sectorul ascuns, la 1.500 de metri sub Alpi
Detectoarele de materie întunecată funcționează pe principiul că, în ocazii extrem de rare, o particulă de materie întunecată s-ar putea ciocni de nucleul unui atom din detector, producând un semnal detectabil. Însă detectarea unei particule ușoare este mult mai dificilă.
„O particulă grea care lovește un nucleu este ca o bilă de bowling care lovește o altă bilă de bowling – va transmite un impuls considerabil. O particulă ușoară care lovește un nucleu ar fi ca o minge de ping-pong care lovește o bilă de bowling. Nu ar mișca-o deloc.”, spune Privitera.
Totuși, materia întunecată din sectorul ascuns ar interacționa cu electronii, care sunt de mii de ori mai ușori decât un nucleu. „Acum e ca o minge de ping-pong care lovește o altă minge de ping-pong”, adaugă Privitera.
Pentru a detecta aceste interacțiuni delicate, DAMIC-M folosește dispozitive cu cuplaj de sarcină (CCD-uri), similare senzorilor din camerele digitale, dar mult mai groase și mai avansate. Aceste CCD-uri pot „vedea” interacțiunile particulelor și, printr-o tehnică inovatoare, pot număra chiar și electronii individuali. Echipa caută grupuri de pixeli cu doar câțiva electroni, semnalul potențial al unei coliziuni cu materia întunecată.
Pentru a elimina interferențele, detectorul este răcit la -140 °C și protejat de straturi multiple de ecranare. Amplasarea sa sub 1.500 de metri de rocă îl ferește de razele cosmice. În plus, este înconjurat de plumb pentru a bloca radiația naturală. „O curiozitate”, menționează Privitera, „folosim plumb vechi, recuperat de la o navă romană scufundată și de la un galion spaniol, deoarece contaminanții radioactivi din el s-au dezintegrat deja de mult timp.”
În acest studiu, echipa a folosit un prototip de doar 26 de grame și a realizat mii de „fotografii” timp de două luni și jumătate. Deși nu au descoperit materia întunecată, rezultatele obținute sunt „cu ordine de mărime mai sensibile decât orice alt experiment, o realizare remarcabilă pentru un detector prototip”, afirmă Privitera.
Scenarii cosmice: „Freeze-out” sau „Freeze-in”
Absența unui semnal are implicații profunde asupra modului în care materia întunecată ar fi putut apărea în Universul timpuriu.
Într-un scenariu, numit „freeze-out”, materia întunecată și cea obișnuită erau în echilibru la început, transformându-se una în cealaltă. Pe măsură ce Universul s-a extins și s-a răcit, materia întunecată a încetat să mai fie creată, iar particulele existente au devenit prea rare pentru a se mai anihila, cantitatea lor „înghețând” la nivelul pe care îl observăm astăzi.
Într-un alt scenariu, numit „freeze-in”, interacțiunile au fost atât de slabe încât echilibrul nu a existat niciodată. Materia întunecată a fost produsă treptat din coliziuni rare ale materiei obișnuite, acumulându-se până a atins abundența actuală.
Rezultatele DAMIC-M testează acum aceste predicții teoretice. Deoarece nu au fost detectate semnale, experimentul exclude complet mai mulți candidați din sectorul ascuns care s-ar potrivi scenariului „freeze-out”. Pentru scenariul „freeze-in”, rezultatele arată că, dacă aceste particule există, ele nu pot constitui întreaga cantitate de materie întunecată din Univers, ci doar o fracțiune.
După succesul prototipului, aparatul DAMIC-M complet va începe colectarea de date în 2026. Cu o masă mai mare și o ecranare superioară, detectorul la scară reală va avea șanse mult mai mari de a surprinde o interacțiune rară, devenind un experiment de referință în căutarea particulelor de materie întunecată cu masă redusă.
