Η σκοτεινή ύλη – μια αόρατη ουσία που με κάποιο τρόπο αποτελεί πάνω από το 80% του συνόλου της ύλης στο Σύμπαν – είναι ένα φαινόμενο που διαφεύγει με απογοητευτικό τρόπο από τους επιστήμονες. Παρά το γεγονός ότι αναζητείται εδώ και δεκαετίες και μας παρέχει ενδείξεις ότι όντως υπάρχει, η σκοτεινή ύλη δεν έχει ποτέ ανιχνευθεί άμεσα.
Αλλά τώρα, το υπόγειο εργαστήριο China Jinping Underground Laboratory (CJPL) – που ανακηρύχθηκε ως η μεγαλύτερη και βαθύτερη υπόγεια εγκατάσταση στον κόσμο μετά την αναβαθμισμένη φάση του, CJPL-II, υπόσχεται να πάει τους επιστήμονες ένα βήμα παραπέρα, καθώς τέθηκε σε λειτουργία στις αρχές Δεκεμβρίου του περασμένου έτους.
Χτισμένο μέσα σε επαναχρησιμοποιημένες σήραγγες που διατρέχουν τα βουνά Jinping στην επαρχία Sichuan της Κίνας, το εργαστήριο είναι θαμμένο κάτω από 2.400 μέτρα βράχου. Ο λόγος για τη βαθιά, μοναχική τοποθεσία του είναι ότι τόσος πολύς βράχος μπορεί να μειώσει το θόρυβο υποβάθρου που συναντάται στα δεδομένα σκοτεινής ύλης, ο οποίος συνήθως προκαλείται από πράγματα όπως οι κοσμικές ακτίνες.
Διαβάστε επίσης
Η τεράστια νέα εγκατάσταση, η οποία εκτείνεται σε 330.000 κυβικά μέτρα, φιλοξενεί δύο αναβαθμισμένους ανιχνευτές σκοτεινής ύλης. Το εργαστήριο διαθέτει επίσης εξαιρετική οριζόντια πρόσβαση. “Μπορεί κανείς να οδηγήσει ένα λεωφορείο στα σπήλαια“, δήλωσε ο Wick Haxton, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ, ο οποίος έχει ξεναγηθεί στο CJPL-II καθώς και στο αρχικό εργαστήριο και ήταν μέλος της συμβουλευτικής επιτροπής του εργαστηρίου μέχρι πέρυσι.
Αυτή η εντυπωσιακή πτυχή “καθιστά την κατασκευή μεγάλων υπόγειων εγκαταστάσεων λιγότερο δαπανηρή και πιο αποτελεσματική“, δήλωσε ο Haxton. “Δεν πιστεύω ότι υπάρχει άλλη τοποθεσία που να συνδυάζει τόσο μεγάλο βάθος με τέτοια πρόσβαση“.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το περιεχόμενο της σκοτεινής ύλης που διαπερνά το Σύμπαν μας δεν υφίσταται πολλές από τις αλληλεπιδράσεις που θα υφίσταντο τα φορτισμένα σωματίδια, όπως τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια, πράγμα που σημαίνει ότι τα σωματίδια που πιστεύεται ότι αποτελούν τη μυστηριώδη ουσία θα μπορούσαν κάλλιστα να γλιστρήσουν μέσα από τα πετρώματα της Γης και να περάσουν μέσα από τους ανιχνευτές που βρίσκονται ακόμη και κάτω από την επιφάνεια στο εργαστήριο Jinping της Κίνας.
Διαβάστε επίσης
Εξάλλου, ένα βασικό χαρακτηριστικό της σκοτεινής ύλης είναι το γεγονός ότι δεν αλληλεπιδρά με το φως, σε αντίθεση με την “κανονική” ή βαρυονική ύλη που αποτελείται από πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Αυτός είναι στην πραγματικότητα ο λόγος για τον οποίο είναι πλήρως αόρατη σε εμάς.
Στο εργαστήριο, ωστόσο, οι επιστήμονες ελπίζουν ότι πιθανά σωματίδια σκοτεινής ύλης θα συγκρουστούν με υλικό σε ανιχνευτές που έχουν σχεδιαστεί για να επισημαίνουν αυτά τα ασύλληπτα σωματίδια. Στο Jinping, η αναζήτηση αυτή γίνεται με αιχμή του δόρατος δύο πειράματα σκοτεινής ύλης, που ονομάζονται Particle and Astrophysical Xenon Experiments (PandaX) και China Dark Matter Experiment (CDEX).
Πιθανά σωματίδια σκοτεινής ύλης που συγκρούονται με άτομα υγρού ξένου (Xenon) που συντηρούνται από τον ανιχνευτή PandaX θα επισημανθούν από τους αισθητήρες ως φωτεινές λάμψεις. Εν τω μεταξύ, ο ανιχνευτής γερμανίου υψηλότερης ευαισθησίας του CDEX θα μάρκαρε αυτά τα μυστηριώδη σωματίδια ως ηλεκτρικά σήματα. Η ιδέα είναι ότι, ακόμη και αν σχεδόν κάθε σωματίδιο σκοτεινής ύλης περνά από τους ανιχνευτές, τουλάχιστον ένα θα έρθει κατά λάθος σε επαφή με έναν από αυτούς.
Συγκεκριμένα, οι ανιχνευτές αναζητούν έναν κορυφαίο υποψήφιο για σκοτεινή ύλη που ονομάζεται WIMPS (συντομογραφία για τα ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια), μια υποθετική κατηγορία σωματιδίων που προβλέφθηκε πριν από τρεις δεκαετίες και μέχρι στιγμής έχει διαφύγει από τα πιο ευαίσθητα πειράματα. Η παρουσία τους, που είναι γνωστή μόνο μέσω της ασθενούς πυρηνικής δύναμης και της βαρύτητας, είναι μέσα στο πλαίσιο της κατανόησης του τρόπου με τον οποίο πιστεύουμε ότι εξελίχθηκε το Σύμπαν. Το 2021, ωστόσο, οι πιο ευαίσθητοι ανιχνευτές WIMP στον κόσμο στο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso στην Ιταλία καθώς και το Jinping ανέφεραν ένα μηδενικό εύρημα.
Μια άλλη κορυφαία εναλλακτική λύση για το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης περιλαμβάνουν τα αξιόνια, επίσης μια κατηγορία υποθετικών σωματιδίων που πιστεύεται ότι κατακλύζουν το Σύμπαν και συμπεριφέρονται ακριβώς όπως η σκοτεινή ύλη. Παραμένουν και άλλες εξωτικές ερμηνείες, όπως η δημοφιλής αλλά ανεπιβεβαίωτη θεωρία ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης αλληλεπιδρούν με κάποιον τρόπο με τον εαυτό τους (αυτο-αλληλεπιδρώσα σκοτεινή ύλη ή SIDM).
Οι ειδικοί στον τομέα της σκοτεινής ύλης υποστηρίζουν ότι το αναβαθμισμένο εργαστήριο Jinping θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει να απαντηθούν πιο θεμελιώδη ερωτήματα, όπως το αν τα “σωματίδια” αποτελούν πραγματικά σκοτεινή ύλη. Μια ευρέως διαδεδομένη αντίληψη είναι ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται κυρίως από υποατομικά σωματίδια που δεν έχουν ακόμη ανιχνευθεί (ή από μια ομάδα αυτών). Όμως υπάρχουν και οι εναλλακτικές δημοφιλείς (αλλά ατελείς) θεωρίες της βαρύτητας που δεν απαιτούν η σκοτεινή ύλη να αποτελείται από σωματίδια.
“Σε ένα βασικό επίπεδο, δεν ξέρουμε γιατί δεν έχουμε ανιχνεύσει ποτέ αλληλεπίδραση σωματιδίων“, δήλωσε ο Matthew Walker, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon στο Πίτσμπουργκ της Πενσυλβάνια. Όσο φιλόδοξος και αν είναι ο στόχος, η ανίχνευση ενός σωματιδίου σκοτεινής ύλης θα διευθετούσε το ζήτημα μια για πάντα. “Για μένα, αυτό είναι το πιο σημαντικό πράγμα που θα μπορούσε να κάνει αυτό το πείραμα. Τους υποστηρίζω. Περιμέναμε πολύ καιρό να μάθουμε τι είναι η σκοτεινή ύλη“.
