Китайська підземна лабораторія Цзіньпінь (CJPL) — названа найбільшим і найглибшим підземним об’єктом у світі після модернізованої фази CJPL-II — обіцяє зробити вченим крок вперед. Він запрацював на початку грудня минулого року.
Темна матерія — невидима речовина. Яка якимось чином становить понад 80 відсотків усієї матерії у Всесвіті — це явище, яке, на жаль, вислизає від вчених. Незважаючи на те, що темну матерію шукали протягом десятиліть. І вона дає нам підказки про те, що вона справді існує, темна матерія ніколи не була безпосередньо виявлена.
Побудована всередині перероблених тунелів, що проходять через гори Цзіньпін у китайській провінції Сичуань. Лабораторія похована під 2400 метрів (1,49 милі) скелі. Причина його глибокого, самотнього розташування полягає в тому, що така велика кількість каміння може зменшити фоновий шум. Виявлений у даних про темну матерію, зазвичай викликаний такими речами, як космічні промені (ще одна космічна загадка іншим разом).
Величезний новий об’єкт, який займає 330 000 кубічних метрів, є домом для двох оновлених детекторів темної матерії. Лабораторія також має винятковий горизонтальний доступ.
«До печер можна їздити на автобусі», — сказав Вік Хакстон, професор фізики Каліфорнійського університету в Берклі, який відвідав CJPL-II, а також оригінальну лабораторію та був у консультативному комітеті лабораторії до минулого року.
Цей вражаючий аспект робить будівництво великих об’єктів під землею менш дорогим і ефективнішим.
«Я не вірю, що існує інший сайт, який поєднує таку глибину з таким доступом».
Виявлення невидимого
Вчені вважають, що вміст темної матерії, що пронизує наш Всесвіт, не зазнає багатьох взаємодій, як заряджені частинки. Такі як протони та електрони, тобто частинки, які, як вважають, складають загадкову речовину. Вони цілком можуть ковзати прямо крізь скелі Землі та проходити повз через детектори, розташовані навіть під поверхнею в китайській лабораторії Цзіньпін.
Зрештою, ключовою характеристикою темної матерії є той факт, що вона не взаємодіє зі світлом, на відміну від «нормальної» або баріонної матерії, що складається з протонів і електронів. Ось чому він для нас абсолютно невидимий.
Проте в лабораторії вчені сподіваються, що потенційні частинки темної матерії стикаються з матеріалом у детекторах, призначених для позначення цих невловимих частинок. У Jinping ці пошуки ведуться двома експериментами з темною матерією. Які називаються експериментами з частинками та астрофізичним ксеноном (PandaX) і китайським експериментом з темною матерією (CDEX).
Пошук темної матерії через детектори
Потенційні частинки темної матерії, що стикаються з атомами рідкого ксенону, які підтримує детектор PandaX, будуть позначатися датчиками як світлові спалахи. Тим часом, високочутливий германієвий детектор CDEX позначав би ці таємничі частинки як електричні сигнали. Ідея полягає в тому, що навіть якщо майже кожна частинка темної матерії пролетить повз детектори, принаймні одна випадково ввійде в контакт з будь-яким із них.
Зокрема, детектори шукають провідного кандидата в темну матерію під назвою WIMPS (скорочення від слабко взаємодіючих масивних частинок), гіпотетичного класу частинок. Передбачуваних більше трьох десятиліть тому, які поки що уникали найбільш чутливих експериментів. Їх присутність, відома лише через слабку ядерну силу та гравітацію, лежить у межах розуміння того, як, на нашу думку, розвивався Всесвіт. Однак у 2021 році найчутливіші у світі детектори WIMP у Національній лабораторії Гран-Сассо в Італії, а також Jinping повідомили про нульовий результат.
Інша провідна альтернатива для частинок темної матерії включає аксіони, також категорію гіпотетичних частинок. Які, як вважають, заповнюють Всесвіт і поводяться точно так само, як темна матерія. Залишаються й інші екзотичні інтерпретації. Такі як популярна, але непідтверджена теорія про те, що частинки темної матерії якимось чином взаємодіють між собою (темна матерія, що самовзаємодіє, або SIDM).
Експерти з темної матерії кажуть, що оновлена лабораторія Цзіньпіна також може допомогти відповісти на більш фундаментальні запитання. Наприклад, чи справді «частинки» є темною матерією. Загальноприйнята думка полягає в тому, що темна матерія в основному складається з ще не виявлених субатомних частинок (або їх групи). Але альтернативні популярні (але недосконалі теорії) гравітації, які не вимагають, щоб темна матерія складалася з частинок, зберігаються.
«На базовому рівні ми не знаємо, оскільки ніколи не виявляли взаємодії частинок», — сказав Метью Вокер, астрофізик з Університету Карнегі-Меллона в Піттсбурзі, штат Пенсільванія. Якою б амбітною не була мета, виявлення частинки темної матерії вирішило б проблему раз і назавжди. «Для мене це найважливіше, що може зробити цей експеримент. Ми довго чекали, щоб дізнатися, що таке темна матерія».