Rozjaśnić ciemną materię

W marcu 2015 r. na powrót ruszy największy i najdroższy eksperyment naukowy na świecie – Wielki Zderzacz Hadronów. W trakcie ok. dwuletniej przerwy technicznej dokonano w nim budzących nadzieje ulepszeń: za ich sprawą zderzacz ma rozpędzić cząstki do olbrzymich energii, niemal dwa razy większych niż dotąd. Do tej pory nie udało się ich osiągnąć podczas żadnego eksperymentu. 27-kilometrowej długości maszyneria została już schłodzona do 1,9 st. powyżej zera absolutnego i przechodzi ostatnie testy.

Wszystko dlatego, że naukowcy z Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) pod Genewą, gdzie mieści się zderzacz, chcą się zmierzyć z jedną z największych zagadek naukowych współczesności. Problemem ciemnej materii.

Ciemność widzę

Mianem ciemnej materii, celowo wieloznacznie, nazwano „brakującą” masę w astronomii.

Gdy przyjrzeć się bliżej zachowaniu galaktyk i ich gromad, wydają się one poruszać pod wpływem znacznie większej liczby masy niż ta, którą da się dostrzec przy użyciu znanych nauce metod obserwacyjnych. Stąd „ciemna” materia – której grawitacyjny wpływ na otoczenie widać bezpośrednio, ale która wydaje się nie produkować żadnego typu promieniowania. Problem jest niebagatelny, ponieważ ciemna materia nie stanowi jedynie drobnego dodatku do „normalnych” planet czy gwiazd. Przeciwnie: waży kilkakrotnie więcej od ich wszystkich razem wziętych! Z najnowszych pomiarów wynika, że spośród wszystkich rzeczy posiadających masę ciemna materia stanowi 85 procent.

Na wszelkie tego typu rewelacje fizycy reagują zwykle podobnie: próbują znaleźć dla nowych mieszkańców kosmosu miejsce w cząsteczkowym obrazie świata. Skoro coś istnieje – musi się przecież składać z jakiegoś typu cząstek! Problem – a może wielkie nasze szczęście – w tym, że kosmologia stanowi dziś precyzyjną, dojrzałą naukę, w której nie można tak po prostu zwiększyć ilości materii pięciokrotnie, nie wywołując katastrofy. To trochę tak, jak gdyby ktoś nagle ogłosił, że liczba ludności Poznania była przez całe lata niedoszacowana i wynosi tak naprawdę nie pół miliona, lecz trzy miliony. Wywołałoby to masę pytań: gdzie ci ludzie mieszkają? Gdzie pracują? Dlaczego nie wpłynęło to na ilość spożywanej w województwie wielkopolskim żywności, liczbę spraw sądowych, pomiary ruchu na autostradach…?

Analogicznie, wydaje się, że nie da się uzupełnić braków w masie Wszechświata, postulując istnienie dodatkowych obiektów zbudowanych z „normalnej” materii. Potrzebne są całkiem nowe cząstki.

Po żmudnych analizach spod piór, ołówków i klawiatur fizyków teoretyków wyłonił się model, zgodnie z którym cząstki ciemnej materii oddziałują z „normalną” materią nie tylko grawitacyjnie, ale też za sprawą tzw. oddziaływania jądrowego słabego – bardzo subtelnego sposobu, w który wymieniają się energią cząstki zbliżone do siebie na nieprawdopodobnie małe odległości, przede wszystkim w kontekście reakcji jądrowych. Jak przekonać się o istnieniu tego typu cząstek? Tu wkraczają na scenę fizycy „doświadczalnicy”, zajmujący się cząstkami elementarnymi.

Szalony Pracownik Kantoru

Istnieją dwie główne strategie mające przynieść wykrycie cząstek ciemnej materii. Pierwsza z nich polega na zderzaniu ze sobą pojedynczych cząstek przyspieszonych do bardzo wysokich prędkości (a więc posiadających bardzo wysokie energie). W trakcie takiej mikroskopijnej eksplozji Natura otrzymuje do dyspozycji sporą dawkę energii, którą pospiesznie rozdziela pomiędzy cząstki. Czasem są to tylko „zwykli podejrzani”. Ale przy odrobinie szczęścia może się też pojawić coś nowego – np. cząstka ciemnej materii. Metodę tę rozwija się w licznych laboratoriach na całym świecie, m.in. w CERN.
Dlaczego jednak przerwano tam pracę aż na dwa lata tylko po to, aby podnieść energię zderzeń? Otóż im więcej energii, tym bardziej egzotyczne będzie zoo cząstek powstających w trakcie zderzeń. Wyobraźmy sobie, że Wielki Zderzacz Hadronów to Szalony Pracownik Kantoru, który po otrzymaniu dowolnej sumy pieniędzy wyrzuca przez okienko garść losowo wybranych monet i banknotów wszelkich walut. Po otrzymaniu równowartości 50 zł może wyrzucić np. jeden banknot 10-dolarowy (wart dziś ok. 34 zł), jeden 200-jenowy (ok. 6 zł), a resztę wydać w lirach tureckich i malezyjskich ringgitach. Aby pojawiła się szansa na otrzymanie banknotu 500-eurowego, początkowa wpłata musi być znacznie większa niż 50 zł. Ponadto przy wyższej wpłacie rośnie też prawdopodobieństwo otrzymania jakiegoś rzadkiego, a cennego okazu.

Prawie trzy cząstki

Druga strategia opiera się na częstym w fizyce rozumowaniu typu „hola hola, proszę państwa, wróćmy do miejsca, z którego wyszliśmy”. Skoro istnieje niemal sześciokrotnie więcej cząstek ciemnej materii niż cząstek zwykłej materii, to gdzie one wszystkie są?

Ze względu na „nieśmiały” charakter cząstek ciemnej materii nie powinny one dać się łatwo wykryć. Cząsteczka powietrza po natrafieniu na przeszkodę odbija się od niej – odpowiednio czuły detektor (np. błona bębenkowa w naszym uchu) będzie więc rejestrował pochodzące od nich „puknięcia”. Cząstki światła są z łatwością pochłaniane przez materię, przekazując jej swoją energię – na tej zasadzie funkcjonują z kolei nasze oczy. Tymczasem cząstki ciemnej materii mogą przelecieć na wskroś przez całą naszą planetę, nie wchodząc w interakcję z żadnym napotkanym atomem.

Nie zapominajmy, że cząstka taka, wedle modeli, ma do dyspozycji tylko dwa sposoby na oddziaływanie z atomami – grawitację i oddziaływanie słabe. Grawitacja jest przy tym najsłabszym ze wszystkich oddziaływań we Wszechświecie. Dość powiedzieć, że podniesienie spinacza ze stołu przy pomocy małego magnesika to triumf oddziaływania elektromagnetycznego emitowanego przez kawałek materii o rozmiarze paznokcia nad oddziaływaniem grawitacyjnym... kuli ziemskiej. Do wykrywania pojedynczych cząstek grawitacja ewidentnie się więc nie nadaje. Oddziaływanie słabe zaczyna jednak mieć znaczenie dopiero przy bardzo małych odległościach – cząstka ciemnej materii musiałaby więc uderzyć ściśle w sam środek jądra atomowego, aby oddziaływanie nastąpiło.

Jeden z najważniejszych detektorów hipotetycznego „tła” cząstek ciemnej materii [powyżej na zdjęciu], znajdujący się w opuszczonej kopalni Soudan w USA, składa się więc ze starannie wykonanych kryształów krzemu lub germanu wielkości mniej więcej krążka hokejowego, schłodzonych niemal do temperatury zera bezwzględnego, aby wyeliminować temperaturę jako źródło szumu. Każdy krążek podłączony jest do czułych detektorów, wykrywających drgania sieci krystalicznej.
Organizatorzy tego eksperymentu (o nazwie Cryogenic Dark Matter Search, czyli Kriogeniczne Poszukiwanie Ciemnej Materii, CDMS) mają nadzieję, że któraś z przelatujących przez Ziemię cząstek ciemnej materii przypadkiem uderzy w jeden z atomów krzemu lub germanu w ich detektorze, co pobudzi atomy do drgań. Żmudne analizy statystyczne mają pomóc w odsianiu wszelkiego typu sygnałów niepochodzących od ciemnej materii.

I tu zaczynają się schody

Pierwsze duże podsumowanie wyników z eksperymentu CDMS opublikowano w 2010 r. w czasopiśmie „Science”. Autorzy przyznali się w artykule do wykrycia w ciągu roku... dwóch cząstek ciemnej materii. Należy jednak dodać, że spodziewana w tym samym czasie liczba cząstek tła, czyli „normalnych” cząstek, ale o energii na tyle nietypowej, że mogą udawać ciemną materię, to 0,9 – co można zrozumieć tak, że w badanym okresie w 9 przypadkach na 10 powinna zostać wykryta jedna cząstka tła. Mówiąc jeszcze inaczej, nadmiar w ilości wykrytych cząstek, który przypisano ciemnej materii, wynosi 1,1 cząstki.
Autorzy przyznali więc otwarcie, że wynik ten nie może zostać uznany za „odkrycie”. Prawdopodobieństwo, że i druga przypuszczalna detekcja to tak naprawdę zwykła cząstka o nietypowo wysokiej energii, oszacowano na 25 proc. To za mało, żeby dzwonić do Sztokholmu.

Ponowne analizy wykonane w 2013 r. zwiększyły liczbę przypuszczalnych detekcji do trzech, przy „poziomie tła” wynoszącym 0,4 i pięcioprocentowym prawdopodobieństwie, że wszystkie trzy cząstki to cząstki tła. 95 proc. pewności brzmi już nieco lepiej, ale 2,6 cząstki to wciąż mało imponujący wynik.

Igła w stogu szpilek

Sam fakt, że wyniki tego typu publikowane są w najbardziej prestiżowych czasopismach naukowych świata, pokazuje, jak bardzo spragnieni jesteśmy potwierdzenia istnienia ciemnej materii. Pokazuje to też, jak ulotnym zjawiskiem jest coś, co naukowcy często dumnie określają jako „potwierdzenie obserwacyjne”. Nie przypomina to już postawienia stopy na nowym kontynencie albo triumfalnego przywiezienia w klatce okazu nieznanego dotąd zwierzęcia. Odkrycie nowej cząstki elementarnej przypomina raczej wykrycie, że kupka tysiąca szpilek wydaje się ważyć odrobinę za mało – tak jakby jedna ze szpilek nie miała główki i była tak naprawdę igłą.

Odbiera to nauce trochę romantyzmu, nieco spektakularności i sporą dawkę poczucia oczywistości – ale czy powinno osłabiać nasze uczucie pewności i zaufania? Na razie czekamy na budzący się do życia Wielki Zderzacz Hadronów. Może wykryje on w tym roku siedem przecinek trzy, plus minus zero przecinek osiem cząstek ciemnej materii?

Gromada Pandory, czyli system Abel 2744, to spektakularna kolizja przynajmniej czterech gromad galaktyk. Ma wielkość 5,9 mln lat świetlnych i leży ok. 3,5 mld lat świetlnych od Ziemi. Na czerwono przedstawiono gaz o temperaturze milionów stopni, zaś kolor niebieski to mapa rozkładu masy – głównie ciemnej materii. Bo galaktyki stanowią tu mniej niż 5% masy, 20% to gaz, zaś aż 75% stanowi niewidoczna ciemna materia. Jej położenie określono za sprawą tzw. soczewkowania grawitacyjnego: pod wpływem jej masy światło położonych na dalszym planie galaktyk ulega ugięciu. Analizując zniekształcenia obrazu, można było opisać jej rozmieszczenie. Widoczna na środku granica między gazem a ciemną materią powstaje, gdyż cząstki gazu zostały spowolnione w trakcie zderzenia galaktyk, wskutek oddziaływań elektromagnetycznych, dla ciemnej materii obojętnych.