SVEMIR

Ilijana Jakšić

Dokazi o tamnoj materiji

Neviđena, samo naslućena

Čak i posle decenija istraživanja, naučnici nisu videli česticu tamne materije. Dokaz o postojanju supstance je skoro neosporan, ali još uvek niko ne zna od čega je. Već nekoliko dekada fizičari se nadaju da će se ispostaviti da je tamna materija teška i da se sastoji od takozvanih masivnih čestica koje slabo reaguju među sobom (WIMP) i koje se direktno mogu otkriti u laboratoriji.

Iako nema definitivnog znaka da će se WIMP pojaviti nakon višegodišnjeg pažljivog traganja, fizičari su proširili opseg svoje potrage. Dok novi, precizniji eksperimenti ubrzavaju prikupljanje podataka, istraživači preispituju teorije o tome kako se čestice tamne materije lakše od protona mogu pojaviti u njihovim detektorima. Dva rada objavljena na arXiv.org početkom ove godine su simboli ovih pomeranja. Oni su prvi nagovestili mogućnost da bi detektor mogao da pronađe plazmone, agregate elektrona koji se kreću zajedno u materijalu koji proizvodi tamna materija. Prvo istraživanje sprovela je grupa istraživača tamne materije iz laboratorije „Fermilabu” u Batavii (Čikago, SAD). Oni su začetnici tvrdnje da bi tamna materija male mase mogla da proizvede plazmone, i da ih neki detektori već mogu videti. Inspirisani prvim radom, fizičari Tongjan Lin i Džonatan Kozačuk, oboje sa Univerziteta Kalifornija (San Diego, SAD), izračunali su koliko je verovatno da će tamna materija male mase stvoriti plazmone u detektoru.

Čekajući signal

Gordan Krnjaic, sa Instituta Kavli za kosmološku fiziku pri Univerzitetu Čikago, teoretičar koji se bavi tamnom materijom i jedan od autora istraživanja, navodi da su plazmoni značajan fenomen za koji se misli da može da bude bitan prilikom interpretacije eksperimenata s tamnom materijom. Fizičari i astrofizičari spekulišu o tome kako detektovati tamnu materiju manje mase, već skoro čitavu deceniju. Ali, oni nisu prethodno razmotrili potragu za plazmonima, koji su hemičarima i naučnicima poznatiji. Jonit Hohberg, teoretičar fizike s Hebrejskog univerziteta (Jerusalim, Izrael) koji nije direktno učestvovao u istraživanju ali je dao svoje mišljenje, kaže da je to sjajno. Sama činjenica da postoje plazmoni koji bi mogli da imaju uticaj koji nije uzet u obzir je važna odskočna daska kao garancija za dalja istraživanja. Kod ostalih, mišljenja su podeljena. Na primer, Ketrin Zurek, teoretičar koji se bavi tamnom materijom, smatra da istraživanje nije ubedljivo. Ona u stvari ne vidi kako bi to sve moglo da funkcioniše na opisani način. Noa Kurinski, jedan od autora i eksperimentalista u „Fermilabu” u Batavii, i Kavli Institutu za kosmološku fiziku, smireno dočekuje kritike od svojih kolega. On smatra da je pozitivno to što su izazvali kritike i motivisali ostale da dokažu da nisu u pravu. To je svakako veoma zdravo u ovoj oblasti, dodaje naučnik. Potraga za nevidljivom supstancom kojoj se ne može ući u trag obično prolazi kroz sledeće faze: za otkrivanje čestica tamne materije, fizičari skupljaju materijal, zakopavaju ga duboko ispod zemlje, kače ga na instrumente i nadaju se da će videti neki signal. Posebno se nadaju da će detektor reagovati na pojavu tamne materije, uz koju bi išla proizvodnja elektrona, fotona pa čak i toplote koju bi instrumenti primetili.

Kao sudar milijardu lopti

Teorija koja stoji iza otkrića tamne materije datira iz istraživanja iz 1985. Reč je bila o načinu na koji bi neutrino detektor mogao da se preinači u uređaj koji traga za česticama supstance. Krenulo se od pretpostavke da bi čestica tamne materije mogla da udari u atomsko jezgo u detektoru, što bi bilo jednako sudaru milijardu lopti. Takva kolizija bi prenosila impuls od tamne materije, udarajući jezgro dovoljno jako da ono izbaci elektron ili foton. Pri većim energijama, ova slika je u osnovi sasvim u redu. Atomi u detektoru mogu se posmatrati kao slobodne čestice, izolovane i nepovezane. Međutim, pri manjoj energiji, ova slika se menja. Jonatan (Joni) Kan, teoretičar koji se bavi tamnom materijom na Univerzitetu Ilinois (SAD) u oblastima Urbana i Šampejna i jedan od autora prvog istraživanja, kaže da detektori nisu sačinjeni od slobodnih čestica. Napravljeni su od materije; a da bismo razumeli materiju, moramo razumeti kako detektor u stvari funkcioniše. U detektoru, čestice tamne materije male mase bi svakako prenosile impuls. Ali, umesto razbijanja stalka za bilijar loptice, to bi moglo da prouzrokuje njihovo podrhtavanje. Drugim rečima, ponašale bi se više poput ping-pong loptice. Tongjan Lin smatra da što se više spuštamo do nižih masa tamne materije, pojavljuje se sve više suptilnih efekata. Ti suptilni efekti obuhvataju ono što fizičari vole da nazivaju „kolektivna uzbuđenja”. Kada se nekoliko čestica kreće u istom trenutku, one se mogu opisati kao jedinstveni entitet, kao što se zvučni talas sastoji od mnogobrojnih vibrirajućih atoma. Plazmoni se pojavljuju kada se u grupi elektrona dešavaju ovakva kretanja. Kada grupa atomskih jezgara vibrira, njihovo kolektivno uzbuđenje naziva se fonon. Takav fenomen astrofizičari i ostali fizičari koji izučavaju tamnu materiju uglavnom mogu smatrati irelevantnim. Ali, kako je pokojni dobitnik Nobelove nagrade, fizičar Filip Anderson jednom duhovito izjavio: manje je više. Kapljica vode, na primer, ponaša se prema pravilima drugačijim od pojedinačnog molekula H2O.

Malo je mnogo

Oba istraživanja imaju pomalo različit pristup proizvodnji plazmona. Međutim, oni su došli do istog zaključka. Trebalo bi tragati za takvim signalima. Sve donedavno, detektori najsenzitivnije tamne materije koriste džinovske posude tečnog ksenona. U proteklih nekoliko godina, nova generacija malih čvrstih detektora je debitovala. Poznati po pametnim akronimima kao što je EDELWEISS III, SENSEI i CRESST-III, napravljeni su od materijala kao što su germanijum, silikon i šelit, volframova ruda; osetljivi su na sudare tamne materije. Ali, svi detektori, bez obzira koliko su dobro zaštićeni, imaju smetnje zbog izvora kao što je radijacija u pozadini. U toku protekle godine, kada su naučnici koji upravljaju detektorima tamne materije počeli da primaju više signala s malom energijom nego što je očekivano, nisu puno komentarisali te događaje. Istraživanje koje su sproveli Kurinski i njegove kolege bilo je prvo u kome je istaknuta značajna sličnost između „viškova” male energije koji su se mogli videti u raštrkanim eksperimentima s tamnom materijom. Nekoliko viškova izgleda da se skupilo oko vrednosti od 10 herca po kilogramu mase detektora. Zbog toga što se detektori prave od različitih materijala, nalaze se na različitim mestima i funkcionišu pod različitim uslovima, teško je doći do univerzalnog razloga za ovako neobičnu harmoniju. Ta diskusija je privukla pažnju ostalih fizičara, kao što je Lin, koja je brzo počela da radi na proračunima u vezi s plazmonima. Ali, čak i ona sumnja u mogućnost da je to što se trenutno vidi u eksperimentima rezultat tamne materije koja pravi plazmone. Kako pristiže više podataka od najnovijih generacija detektora tamne materije, ova hipoteza biće testirana. Međutim, pitanje: da li detektori mogu videti misterioznu supstancu, možda i nije glavno? Istraživači sada diskutuju o plazmonima i drugim načinima na koji se može ponašati materija male mase. Krnjajić kaže da ima mnogo načina na koje naučnici mogu pogrešiti i - da je sve to veoma zanimljivo.

Ilijana Jakšić

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"