Nauka: W poszukiwaniu ciemnej materii

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.


Dr Paweł Majewski, fot. Dziennik Polski

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.