Ciemna materia: jak usłyszeć jej szepty

Czy kiedykolwiek zdarzyło ci się stać na brzegu morza i odczuwać jego ogrom, który w mgnieniu oka mógłby cię pochłonąć? Istnieją przesłanki sugerujące, że jesteśmy zawieszeni w kosmicznym morzu ciemnej materii – tajemniczej substancji, która kształtuje galaktyki i wielkie struktury Wszechświata, ale dla fotonów, nośników siły elektromagnetycznej, jest przezroczysta. Nasz galaktyczny dom, Droga Mleczna, znajduje się w morzu ciemnej materii, ale ten niewidoczny twór nie pożera nas, ponieważ jego siły nie mogą wpłynąć na materię zwykłą, z której jesteśmy zbudowani.

Wszystko, co wiemy o ciemnej materii, pochodzi z pomiarów jej przyciągania grawitacyjnego. Grawitacja jest jednak najsłabszą z sił natury – tak słabą, że siły elektromagnetyczne, które wiążą atomy tworzące krzesło, na którym możemy usiąść, są wystarczające, aby przeciwdziałać grawitacji całej Ziemi. Podobnie jak potrzebujemy oddziaływania elektromagnetycznego, aby móc opowiadać o protonach, neutronach, elektronach i bogactwie wszystkich znanych nam cząstek – co łącznie nazywa się Modelem Standardowym fizyki cząstek elementarnych – tak do rozwikłania tajemnic ciemnej strony potrzeba czegoś więcej niż tylko grawitacji. Z tego powodu ostatnie trzy dekady badań ciemnej materii dostarczyły zerowych wyników. Przez większość czasu naukowcy poszukiwali pojedynczej cząstki, która stanowiłaby ciemną materię.

Jednak ciemna materia może nie składać się z cząstek jednego rodzaju – może ją tworzyć cały ukryty sektor ciemnych cząstek i oddziaływań. W tym sektorze interakcje między cząstkami zachodziłyby poprzez ich własne, niezależne oddziaływania i własną dynamikę, kreując ukryty świat funkcjonujący równolegle do naszego. Mogłyby tam istnieć ciemne atomy – zbudowane z ciemnych protonów, ciemnych neutronów i ciemnych elektronów – spajane przez ciemną wersję elektromagnetyzmu. Nośniki tego oddziaływania, ciemne fotony, mogą (w przeciwieństwie do naszych) mieć masę, umożliwiając tworzenie się ogromnych ciemnych jąder atomowych, tak zwanych samorodków (nuggets). W ciemnym sektorze na ewolucję zwykłej materii wpływ miałaby zupełnie inna dynamika ciemnej materii. Interakcje samorodków w galaktykach mogłyby pomóc w powstawaniu supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk, powodując ich szybszy rozrost.

Ponieważ inne, prostsze koncepcje ciemnej materii nie znalazły eksperymentalnego potwierdzenia, idea ciemnego sektora zyskała na popularności. Moi koledzy i ja opracowaliśmy nowatorskie projekty doświadczeń, które mogą wykryć ten rodzaj ciemnej materii. Eksperymenty te wykorzystują metody fizyki materii skondensowanej i są próbą zbadania sektora kosmosu, którego nigdy wcześniej nie przeszukiwano.

kiedy w 2005 roku włączyłam się w polowanie na ciemną materię, fizycy skupiali się na poszukiwaniu jej szeptów wysyłanych przez oddziaływanie słabe. Pomimo swojej nazwy, oddziaływanie słabe jest znacznie silniejsze niż grawitacja, a naukowcy podejrzewali, że ciemna materia może komunikować się z naszym światem za jego pośrednictwem. Aby usłyszeć te szmery, przeprowadzili wiele niezwykle czułych doświadczeń, zakopując się pod ziemią, ponieważ jest tam bardzo cicho.

Były to fascynujące czasy, ponieważ astrofizycy zaobserwowali również niewyjaśnione sygnały pochodzące z centrum Drogi Mlecznej, które mogły być oznaką ciemnej materii wytwarzającej mgłę fotonów w wyniku pewnego rodzaju interakcji z oddziaływaniem słabym. Zaintrygowały mnie te koncepcje, ale nie miałam przekonania, że źródłem sygnału z Drogi Mlecznej jest ciemna materia. Skupianie poszukiwań ciemnej materii na hipotezach związanych z oddziaływaniem słabym wydawało mi się przedwczesne. Co więcej, wiele zwykłych procesów fizycznych generuje fotony mikrofalowe, takie jak te, które wylatują z centrum naszej Galaktyki.

Na pierwszej konferencji poświęconej ciemnej materii, w której uczestniczyłam po ukończeniu studiów doktoranckich, założyłam się z głównym zwolennikiem idei „mgiełki ciemnej materii”, Danem Hooperem z University of Wisconsin-Madison. Hooper uważał, że w ciągu najbliższych pięciu lat będziemy mogli potwierdzić, iż obserwacje te są wynikiem działania ciemnej materii. Ja byłam sceptyczna. Stawką zakładu było to, że ten, kto przegra, przez rok w każdym swoim wystąpieniu naukowym będzie musiał mówić, iż ta druga osoba miała rację. Pocieszeniem był fakt, że gdybym przegrała, nadal mogłabym cieszyć się z odkrycia ciemnej materii. Ten zakład towarzyszył mi przez następne 13 lat kariery naukowej.

Czasami jednak przyjęte założenia nas ograniczają, uniemożliwiając znalezienie poszukiwanych rozwiązań. Pierwsze pomysły, czym może być ciemna materia, polegały na próbach rozwiązania teoretycznych problemów związanych z Modelem Standardowym, który opisuje nie tylko znane cząstki, ale także oddziaływania kwantowe (elektromagnetyzm, oddziaływanie słabe i oddziaływanie silne). Główne zagadki tego modelu to: dlaczego oddziaływanie słabe jest o wiele silniejsze od grawitacji (co fizycy nazywają problemem hierarchii) oraz dlaczego oddziaływanie silne – siła wiążąca jądra atomowe – nie odróżnia lustrzanych cząstek od antycząstek (tzw. problem sprzężenia ładunku z parzystością lub problem CP oddziaływania silnego). Fizycy cząstek elementarnych postawili hipotezę, że dodanie nowych cząstek do Modelu Standardowego może pomóc w wyjaśnieniu, dlaczego znane cząstki zachowują się tak, jak się zachowują. Gdyby tych nowych cząstek była odpowiednia ilość, mogłyby one stanowić ciemną materię.

Popularnymi kandydatami okazały się dwie kategorie cząstek. W rozwiązaniach problemu hierarchii pojawiła się jedna z nich, zwana WIMP-ami (weakly interacting massive particles, czyli słabo oddziałujące masywne cząstki). Inny zestaw proponowanych cząstek, aksjony (jako metafora czyszczenia), oferował rozwiązanie problemu CP oddziaływania silnego. Jak widać, fizycy zajmujący się tą dziedziną mają poczucie humoru. [Wimp to po angielsku mięczak, słabeusz, natomiast axion to amerykański proszek do prania – przypis tłumacza dra Michała Czernego].

Ja jednak uznałam, że założenie, iż ciemna materia zlikwiduje również problemy Modelu Standardowego, należałoby zakwestionować. Moje wyobrażone cząstki nie wchodzą w interakcje za pośrednictwem żadnych oddziaływań Modelu Standardowego – mają własne niezależne oddziaływania i dynamikę – tak więc nie rozwiązują tajemnic tego modelu. Są one również znacznie lżejsze od WIMP-ów i wypełniają ukrytą dolinę w skali energii i mas cząstek. Pomysł ten, który przedstawiłam około 2006 roku, był sprzeczny z panującym w fizyce wysokich energii trendem – budowy ogromnych eksperymentów, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów w CERN w pobliżu Genewy, mających na celu wytwarzanie coraz masywniejszych cząstek przewidywanych przez teoretyków. W przeciwieństwie do tego, cząstki z ukrytej doliny miałyby mieć znacznie niższe energie, a nie zaobserwowano ich w doświadczeniach tylko dlatego, że ich interakcje ze zwykłymi cząstkami są znacznie słabsze niż oddziaływanie słabe.

Po odrzuceniu pomysłu, że ciemna materia powinna rozwiązać problem hierarchii lub problem CP oddziaływania silnego, teoretycznie możliwy stał się cały zbiór nowych modeli, zgodnych z obserwacjami naszego Wszechświata. Ja skupiłam się na idei, że ukryta dolina jest naturalnym gospodarzem dla sektora ciemnej materii. W porównaniu z WIMP-ami, odmienna dynamika ciemnej materii z ciemnego sektora miałaby inny wpływ na ewolucję normalnej materii w czasie.

W miarę jak moi koledzy i ja w ciągu następnych dziesięcioleci badaliśmy możliwe implikacje ciemnego sektora, rozszerzał się zakres obserwowalnych konsekwencji w naszym Wszechświecie. Obecnie dziedzina ta wygląda zupełnie inaczej. Hipotezy ciemnego sektora zostały wsparte przez przypadkowe anomalie eksperymentalne.

Szczęśliwe anomalie pojawiły się w 2008 roku w doświadczeniach poszukujących ciemnej materii typu WIMP. Do tego momentu naukowcy spędzili już dwie dekady na tworzeniu naziemnych eksperymentów mających na celu poszukiwanie cząstek ciemnej materii znajdujących się w domniemanym morzu, które przez cały czas musi przelatywać przez Ziemię. W 2008 roku w trzech z nich zaobserwowano tajemniczy, niewyjaśniony wzrost liczby „zdarzeń” o niskich energiach. W tym przypadku zdarzenie oznacza, że pojedyncza cząstka ciemnej materii mogła uderzyć w zwykłe jądro atomowe z detektora i dać mu zastrzyk energii. Eksperymenty zarejestrowały zdarzenia, które mogły zostać spowodowane przez cząstki ciemnej materii o masie kilkukrotnie większej od masy neutronu.

Nadwyżki, które zaobserwowano w tych eksperymentach, zelektryzowały mnie, ponieważ były zgodne z hipotezą ukrytej doliny ciemnej materii, zaproponowaną przeze mnie rok wcześniej. Hipotezę tę nazwałam asymetryczną ciemną materią. Opierała się na założeniu, że ilość ciemnej materii we Wszechświecie zależy od tego, w jaki sposób materia ta oddziałuje z neutronami i elektronami. Aby obliczyć masy najczęściej występujących cząstek ciemnego sektora, możemy wziąć liczbę ustaloną przez teorię i powiązać ją z całkowitą masą całej ciemnej materii w kosmosie (którą znamy z obserwacji astronomicznych). Okazuje się, że teoretyczne cząstki powinny ważyć mniej więcej tyle, ile neutrony – czyli tyle, ile wynikało z eksperymentów.

Pojawienie się anomalii sprawiło, że model ukrytego sektora ciemnej materii zyskał dużą popularność. Internetowe repozytorium nowych artykułów z fizyki eksplodowało pracami sugerującymi możliwe wyjaśnienia nadmiaru za pomocą różnych typów ukrytych sektorów. Nagle zaczęło się wydawać, że mogę przegrać zakład, iż ciemna materia pozostanie nieodkryta. Jednakże obserwacje nie całkiem zgadzały się z teorią, aby więc dopasować modele do danych eksperymentalnych, trzeba je było coraz bardziej rozbudowywać. Do 2011 roku moja wiara w to, że anomalie mogą być dowodem na istnienie ciemnej materii, osłabła.

Nie wszyscy się z tym zgadzali. Hooper, który zawsze był optymistą, nadal uważał, że anomalie mogą oznaczać ciemną materię, podniósł więc stawkę i dorzucił dwie butelki dobrego wina. Ostatecznie jednak dalsza analiza anomalii przekonała gros fizyków, że większość obserwacji musi mieć przyziemne wyjaśnienie, takie jak sygnał tła lub zakłócające dane efekty pochodzące z detektora. Hooper wysłał mi wino podczas pandemii 2020 roku.

Ale na tym historia się nie skończyła. Anomalie miały długofalowy wpływ na badaczy, którzy zaczęli myśleć o nowych modelach ciemnej materii, wykraczających poza WIMP-y i aksjony. W zmianie tej pomógł fakt, że trwające przez dziesięciolecia eksperymenty, mające na celu znalezienie WIMP-ów i aksjonów, nic do tej pory nie wykazały. Nawet w Wielkim Zderzaczu Hadronów, w którym wielu naukowców spodziewało się znaleźć WIMP-y i inne nowe cząstki, nie odkryto niczego nowego oprócz ostatniego, niepotwierdzonego wcześniej elementu Modelu Standardowego – bozonu Higgsa. Coraz więcej fizyków zdawało sobie sprawę, że musimy poszerzyć nasze poszukiwania.

w 2014 roku przeniosłam się z University of Michigan do Lawrence Berkeley National Laboratory, gdzie zmieniłam swoje zainteresowania z teoretycznych modeli ciemnej materii na opracowywanie nowych metod jej wykrywania. Praca w tym obszarze radykalnie poszerzyła moje horyzonty. Dowiedziałam się, że badanie podstawowych oddziaływań natury nie wystarcza do zrozumienia, w jaki sposób ciemna materia może oddziaływać ze zwykłą materią. W przypadku tak rzadkiej i słabej komunikacji między cząstkami najważniejsze stają się interakcje między podstawowymi składnikami materii (nukleonami i elektronami w atomach). Innymi słowy, aby zrozumieć, w jaki sposób cząstka ciemnej materii może wpływać na typowy atom, musimy wziąć pod uwagę niewielkie interakcje między atomami ułożonymi w sieci krystalicznej w materiale. Wyobraźmy sobie sprężyny w materacu starego typu: jeśli jedna sprężyna zostanie naciśnięta, spowoduje to propagację fali w całym materacu.

Ponieważ wiele materiałów tak właśnie reaguje, jest oczywiste, że jeśli ciemna materia zaburzy jeden atom w sieci „normalnej” materii, powstanie propagująca się fala zakłócająca. Zbiorowe zaburzenia wielu atomów mają charakter kwantowy i są nazywane fononami lub magnonami. Zrozumienie fononów jest domeną fizyki materii skondensowanej i fizyki ciała stałego, które koncentrują się na kolektywnych efektach wielu atomów danego materiału. Ponieważ materiały mogą składać się z wielu różnych rodzajów atomów i cząsteczek, z różnymi wiązaniami występującymi między nimi, zbiorowe zakłócenia przybierają wiele form, prowadząc do najróżniejszych możliwych interakcji.

Jednym z problemów, które napotkałam, była konieczność zrozumienia, w jaki sposób ciemna materia może wchodzić w interakcje z tymi kolektywnymi zjawiskami. Aby to osiągnąć, potrzebowałam użytecznego modelu, który opisywałby wszystkie skomplikowane efekty za pomocą zaledwie kilku parametrów. Odkryłam, że mogę przewidzieć prawdopodobieństwo interakcji różnych rodzajów ciemnej materii z materiałem, jeśli oddziaływanie to jest takie samo, jak oddziaływanie odpowiedzialne za obfitość ciemnej materii w naszym Wszechświecie.

Pojawiły się pewne praktyczne trudności. Nie wszyscy fizycy używają tej samej terminologii. Ponadto podczas badania układu fizycznego każda dziedzina skupia się na zaledwie kilku konkretnych zagadnieniach. Mnie intrygowały zupełnie inne kwestie niż te, które interesują większość fizyków materii skondensowanej. A jako specjalistka od ciemnej materii po raz pierwszy współpracująca z fizykami materii skondensowanej, musiałam przełamać różne bariery. Kiedy odkryłam, jak sformułować problem interakcji ciemnej materii w żargonie używanym przez fizyków materii skondensowanej i fizyków atomowych, moi studenci, postdoktoranci i ja zaczęliśmy robić znacznie szybsze postępy.

Z biegiem czasu nowy świat zjawisk kolektywnych stanął przed nami otworem. Odkryliśmy, że dla specjalistów od materii skondensowanej, fizyki atomowej, molekularnej i optyki poszukiwanie ciemnej materii z użyciem opracowanych przez nich mechanizmów detekcji to świetna zabawa. Po kilku latach testowania szerokiej gamy pomysłów zdaliśmy sobie sprawę, że jeśli chcemy osiągnąć sukces, musimy ograniczyć się do kilku z nich. W końcu wybraliśmy dwa materiały, które wydawały się obiecujące, zarówno ze względu na ich cechy oddziaływania z ciemną materią, jak i na możliwość użycia w doświadczeniach. Obecnie jesteśmy w trakcie projektowania eksperymentów; mamy nadzieję przeprowadzić je w najbliższych latach.

Pierwsza kategoria to materiały polarne, takie jak kwarc i szafir, które wytwarzają silne fonony. Ich energia dobrze pasuje do ciemnej materii; mogą też dobrze komunikować się z ciemnymi fotonami. Drugim odpowiednim materiałem jest nadciekły hel, gdyż nie występują w nim defekty nękające sieci krystaliczne ciał stałych. Ta ciecz zawiera lekkie jądra, które mogą mieć stosunkowo duże szanse na interakcję z ciemną materią.

W kolejnych krokach główną rolę odgrywają nasi partnerzy od eksperymentów. Dwie najbardziej obiecujące koncepcje opracowali moi byli koledzy z Lawrence Berkeley Lab. Matt C. Pyle zaproponował eksperyment o nazwie SPICE (Sub-eV Polar Interactions Cryogenic Experiment; Kriogeniczny Eksperyment Polarnych Oddziaływań o Subelektronowoltowych Energiach), który jako detektor wykorzystywałby materiał polarny, na przykład szafir. Inny doświadczalnik, Daniel N. McKinsey, opracował projekt HeRaLD (Helium and Roton Liquid Detector; Helowo-Rotonowy Ciekły Detektor), w którym zastosowano by nadciekły hel.

Z naszych badań teoretycznych wynika, że niewielkie próbki docelowych materiałów – o masie jednego kilograma lub mniejszej – mogłyby wystarczyć do rozpoczęcia testów naszych hipotez. Chociaż próbki te nie wymagałyby dużo materiału, musiałyby być wolne od wad i umieszczone w bardzo cichym i wolnym od zanieczyszczeń środowisku. Na szczęście dzięki wcześniejszym eksperymentom związanym z poszukiwaniem ciemnej materii i badaniami nad WIMP-ami, Pyle i McKinsey mają już doświadczenie w redukcji źródeł szumu i promieniotwórczości poprzez pracę głęboko pod ziemią.

Chociaż wszystkie teoretyczne podstawy tych eksperymentów są już gotowe, ich wdrożenie zajmie sporo czasu. Oba projekty uzyskały finansowanie z Działu Nauki Departamentu Energii na dalszy ich rozwój. Jednak w ciągu ostatnich czterech czy pięciu lat odkryliśmy nowe procesy tła mogące imitować szukane przez nas sygnały, które będziemy musieli zablokować. Na razie, z powodu tak dużego poziomu tła, detektory nie są jeszcze wystarczająco czułe, aby odkryć ciemną materię. Podobnie jak w przypadku wcześniejszych eksperymentów z WIMP-ami, może minąć dekada lub więcej, zanim uda nam się zmniejszyć szum detektorów tak, aby mogły usłyszeć szepty ciemnej materii.

A jednak to, czego dokonaliśmy w ciągu ostatnich 20 lat, znacząco poszerzyło teoretyczną wiedzę o możliwej naturze ciemnej materii oraz metodach jej wykrywania. Fundamentalna natura ciemnej materii, która przenika nasz Wszechświat, wciąż pozostaje niewiadoma. Praca nad tym problemem przypomina mi budowanie starodawnych katedr – wznoszonych przez pokolenia, kamień po kamieniu. W ten sam sposób, stopniowo rozwijając naszą wiedzę o ciemnej materii, mamy nadzieję ostatecznie osiągnąć pełne poznanie wszystkich składników natury.