ექსპერიმენტი XENON და მოუხელთებელი “ბნელი ძალები”

 სამყაროს საერთო მასაში ბარიონული მატერიის (პროტონები, ნეიტრონები, ელექტრონები, ჩვენ, გალაქტიკები, ყველაფერი, რასაც შეგვიძლია შევეხოთ ან დავინახოთ) წილი უმნიშვნელოა, სულ რაღაც – 5%. დანარჩენი 25% და 70% კი უცნობი ბუნების სუბსტანციებზე მოდის, ე.წ. ბნელ მატერიაზე და კიდევ უფრო უჩვეულო ბნელ ენერგიაზე. ეს უკანასკნელი, სამყაროს აჩქარებით გაფართოებაზე უნდა იყოს პასუხისმგებელი. ამ სტატიაში, ბნელი მატერიის ძებნაზე გაწეული შრომის შესახებ იქნება საუბარი. ჯერ ბოლო სიახლე, რომელშიც ბნელ მატერიაზე სანადიროდ შექმნილმა დეტექტორმა, მოულოდნელად, ბნელი ენერგიით ახსნადი მოვლენები დააფიქსირა, შემდეგ კი რა იყო წინა წლებში.

 ბნელი მატერია, ბარიონულთან მხოლოდ გრავიტაციულ ურთიერთქმედებაში შედის, რაც ასტრონომიული დაკვირვებებით არის შემჩნეული, ხოლო ლაბორატორიულ პირობებაში მისი შემადგენელი ნაწილაკების რეგისტრირება ამ დრომდე ვერ ხერხდება. პროექტ XENON1T-ში მონაწილე მეცნიერების აზრით, ბნელი და ბარიონული მატერიების იშვიათი ურთიერთქმედებებისას, დამახასიათებელი ნათებები უნდა გაჩნდეს. დაახლოებით 1 წლის წინ, ნავარაუდევი ნათებები მართლაც აღმოაჩინეს. ის, რომ ბნელი ენერგიისა და ჩვეულებრივი მატერიის ურთიერთქმედება მოხდა, ჯერ ისევ ჰიპოთეზად რჩება, თუმცა კვლევები ამ მიმართულებით გრძელდება.

2.

თეორიის თანახმად, ბნელი მატერიის ნაწილაკები (WIMP), რომლებიც დეტქტორში არსებული ქსენონის ატომებს შეეჯახება, ფოტონებსა (სიგნალი S1) და ელექტრონებს (სიგნალი S2) გამოანთავისუფლებს (2 ფოტო), რაც მცირე ნათებების სახით შეიძლება დაფიქსირდეს. ასეთი სიგნალები პირველად 2020 წლის 16 ივნისს იქნა შემჩნეული, რაც ბნელი მატერიის არსებობის მტკიცებულებად შეიძლება იქცეს.

ექსპერიმენტში XENON, ე.წ. ორფაზიანი დრო-პროექციული კამერა გამოიყენება (Time projection chamber Time projection chamber), რომლის ქვედა ნაწილი თხევადი ქსენონით არის შევსებული, ზედა კი აირადით. ფოტოგამამრავლებელი მილების ორი მასივი კამერის ზედა და ქვედა ნაწილებში, სცინტილაციისა და ელექტროლიუმინესცენციის დეტექტირების საშაულებას იძლევა, დამუხტული ნაწილაკების დეტექტორის შემადგენელზე ზემოქმედების დროს (1 ფოტო). თხევადი და აირადი ქსენონით შევსებული მონაკვეთი ელექტრული ველით არის გამსჭვალული. ის აირად ნაწილში უფრო ძლიერია, რათა თხევადი ნაწილიდან ელექტრონების ამოგდება მოხერხდეს. წარმოქმნილ ნათებასა (სიგნალი S1) და ელექტრნების მიღებას (სიგნალი S2) შორის არსებული დროის ინტერვალით, შეჯახების ზუსტი ადგილი დგინდება, რითაც მთლიანად დეტექტორის სამგანზომილებიანი სურათის მიიღება. S2/S1 თანაფარდობით, ცალკეული ელექტრონული და ბირთვული შეჯახებების აღწერაც ხერხდება.

2011-2013

1. ბნელი მატერიის დეტექტორი XENON100-ის ას დღიანი მუშაობა უშედეგოდ დამთავრდა, მან ვერ დააფიქსირა მოვლენა, რომელიც ბნელი მატერიის შემადგენელი ნაწილაკების მიერ შეიძლება იყოს გამოწვეული.

 ბნელი მატერია, ან დამალული მასა, ეს არის ჰიპოთეტური სუბსტანცია, რომელიც ჩვეულებრივ მატერიასთან შედის გრავიტაციულ ურთიერთქმედებაში და არ მონაწილეობს ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებებში (ანუ მისი უშუალო დანახვა შეუძლებელია).

XENON100-ის ნაწილი.

 ითვლება, რომ ბნელი მტერია შედგება ნაწილაკებისგან, ე.წ. ვიმპებისგან(WIMP), რომელთა დაფიქსირება შესაძლებელია ირიბი მეთოდით: თუ ასეთი ნაწილაკი ”ჩვეულებრივი” მატერიის ნაწილაკს შეეჯახება, შესაძლებელია მოხდეს გარკვეული ტიპის გამოსხივების გაჩენა, რომლის რეგისტრირება შესაძლებელია.

 ექსპერიმენტი XENON100, ვიმპების სწორედ ასეთი მეთოდით საძებნელად ტარდება. დეტექტორის ავზში ჩასხმულია თხევადი ქსენონი, რომლის მასა 161 კილოგრამია. ავზი მიწის ქვეშ 1,4 კილომეტრის სიღრმეზეა განთავსებული, არასასურველი ნაწილაკებისგან დასაცავად. თუ ასეთ ავზში ვიმპი მოხვდება, დიდი ალბათობით ის ქსენონის ატომებს შეიძლება შეეჯახოს (ანუ ჩვეულებრვ მატერიას), რაც მცირე სიმძლავრის ფოტონების გამოსხივებას გამოიწვევს.

 ახალი კვლევის ავტორებმა მუშაობის 100,9 დღის განმავლობაში დაგროვებული მონაცემები შეისწავლეს, რომლებშიც სამი საეჭვო მოვლენა დაფიქსირდა, თუმცა, მოგვიანებით გაირკვა, რომ ეს ქსენონში არსებულმა კრიპტონ 85-ის მინარევებმა გამოიწვია.

 უარყოფითი შედეგი ბნელი მატერიის ნაწილაკების ენერგიისა და მასის ახალ საზღვრებს ადგენს, რომლებზეც მათი დაფიქსირება შეუძლებელია. ყველაზე უფრო რეაქციულად აქტიურად ითვლება მძიმე ვიმპები, მათი XENON100-ით ვერ აღმოჩენა ამცირებს ასეთი მძიმე ნაწილაკების არსებობის ალბათობას. ამჟამად, მეცნიერები მუშაობენ საკითხზე – ეყოფა თუ არა XENON100-ს მგრძნობელობა მსუბუქი ვიმპების რეგისტრირებისთვის.

 უარყოფითი შედეგის მიუხედავად, მეცნიერთა უმრავლესობა დარწმუნებულია, რომ ვიმპების აღმოჩენა არც თუ ისე შორეულ მომავალში მაინც მოხდება.

2. ექსპერიმენტის CRESST (იშვიათი მოვლენების კრიოგენული ძებნა ზეგამტარი თერმომეტრების საშუალებით) ჩარჩოებში, ფიზიკოსებმა შეძლეს მოვლენების რეგისტრაცია, რომლებიც ბნელი მატერიისა და ჩვეულებრივის შეჯახებით შეიძლება ხდებოდეს (New Scientist).

 მოწყობილობა, რომელზეც ექსპერიმენტი ტარდება, მიწის ქვეშ განთავსებულ დეტექტორებს წარმოადგენს (17 ცალი) – ეს არის კალციუმის ვოლფრამატის კრისტალები გაცივებული თითქმის აბსოლუტურ ნულამდე. დეტექტორი აფიქსირებს მოვლენებს, რომელთაც თან ახლავს მიკროანთებები – ასეთ მოწყობილობებეს სცინტილაციურ დეტექტორებს უწოდებენ. მოწყობილობა CRESST-ის განსაკუთრებულობა იმაშია, რომ ის არა მარტო ფოტონურ, არამედ ფონურ სიგნალსაც ზომავს, რაც ფონური ხმაურის სასარგებლოსგან უფრო ეფექტურად გამოყოფის საშუალებას იძლევა.

დეტექტორი CRESST.

 პროექტის ჩარჩოებში, მეცნიერებმა წარმოადგინეს 8 დეტექტორიდან აღებული მონაცემები, 2009-დან 2011 წლამდე პერიოდში. წინასწარი ანალიზით დადგინდა, რომ ამ დროის განმავლობაში 67 მოვლენის რეგისტრაცია მოხდა, რომელთა აღწერა თანამედროვე ფიზიკის თვალსაწიერიდან შეუძლებელია, ეს მოვლენები შეიძება იყოს უშუალოდ ბნელი და ჩვეულებრივი მატერიების ნაწილაკების შეჯახებათა კვალი.

 თანამედროვე წარმოდგენებით, ჩვეულებრივი (ანუ ბარიონული) მატერია, რომელიც ყველა ტიპის ურთიერთქმედებაში მონაწილეობს, მთელი სამყაროს მატერია-ენერგიის 5 პროცენტს შეადგენს — დანარჩენი 95 პროცენტი ბნელ ენერგიაზე (72%) და ბნელ მატერიაზე (23%) მოდის. ამ უკანასკნელმა ეს სახელი იმიტომ მიიღი, რომ არ მონაწილეობს ელ.მაგნიტურ ურთიერთქმედებებში.

 მეცნიერთა აზრით, ახალი შედეგი ვიმპების (WIMP. უცნაური ვარსკვლავები) თეორიის მტკიცებულებად შეიძლება ჩაითვალოს, რომლის თანახმადაც, ბნელი მატერია სუსტად ურთიერთქმედი მძიმე ნაწილაკებისგან შედგება (სავარუდოდ, ვიმპები მხოლოდ სუსტ და გრავიტაციულ ურთიერთქმედებებში მონაწილეობენ). მიღებულ მონაცემებზე დაყრდნობით, მოხდა ჰიპოთეტური ნაწილაკების მასის შეფასება – ის 10-დან 20-მდე გიგაელექტრონვოლტს უტოლდება (რა არის ელექტრონვოლტი?).

დეტექტორი CDMS.

 მიღებული შედეგების მიუხედავად, ფიზიკოსები სამუშაოს ძალიან ფრთხილად უდგებიან. ეს იმასთანაა დაკავშირებული, რომ ვიმპების მძებნელ სხვა მსხვილ ექსპერიმენტებში – CDMS II და XENON100 – ბნელი მატერიის კვალის აღმოჩენა ჯერჯერობით არ მომხდარა. გარდა ამისა, ცნობილი გახდა, რომ კოსმოსურმა ტელესკოპმა „ფერმიმ“, კოსმოსურ სხივებში მაღალენერგიული პოზიტრონების (ელექტრონის ანტინაწილაკი) ჭარბი რაოდენობა აღმოაჩინა. ადრე ითვლებოდა, რომ ანტიმატერიის სავარაუდოზე მეტი რაოდენობა, მისი ბნელი მოძმის ნამდვილად არსებობის მტკიცებულებად შეიძლება ჩათვლილიყო, თუმცა, ახალი შედეგები ამას ვერ ასაბუთებს.

3. სამყაროს დაახლოებით მეოთხედი შედგება ნაწილაკებისგან, რომლებიც სუსტად ურთიერთქმედებს ერთმანეთთან და ჩვეულებრივ მატერიასთან. ამ ჰიპოთეზის დამტკიცება და ხსენებული ნაწილაკების თვისებების დადგენა ასტროფიზიკოსებისთვის და საერთოდ ფიზიკოსებისთვის, ერთ-ერთ მთავარ ამოცანად იქცა.

 ყველაზე უფრო მიმზიდველი იქნებოდა ამ ნაწილაკების გამოჭერა ლაბორატორიაში. მსოფლიოში ასეთი ტიპის რამდენიმე ექსპერიმენტი მუშაობს (CDMS-II, EDELWEISS-II, ZEPLIN, XENON100, PICASSO). მოწყობილობა ღრმა შახტებშია დამალული, რათა არ მოხდეს კოსმოსური სხივებით გამოწვეული ცრუ დეტექტირება.

 კონსერვატორულად განწყობილი კოლეგებიც კი თვლიან, რომ უახლოეს ათწლეულში, საექსპერიმეტო ტექნიკის (მომავალში EURECA, DARWIN) განვითარება მეცნიერებს საშუალებას მისცემს ბნელი მატერიის მოუხელთებელი ნაწილაკები აღმოაჩინონ. ან მოხდება იმდენად მკაცრად განსაზღვრული ზღვრების დადგენა, რომ თვითონ ჰიპოთეზაც კი შეიძლება კითხვის ნიშნის ქვეშ დადგეს.

 ოპტიმისტები ვარაუდობენ, რომ ბნელ ნივთიერებასთან დაკავშირებული მონაცემების მიღება ამაჩქარებლებზეა შესაძლებელი, მაგალთად, დიდ ადრონულ კოლაიდერზე. თუმცა, ასეთი პერსპექტივა ნაკლებდ შესაძლებელია, რადგან ამ ნაწილაკების პარამეტრთა უმრავლესობა ისეთია, რომ თვითონ ამაჩქარებლებს არ შეუძლიათ საკმაო ინფორმაციის მოცემა.

4. ეს დეტექტორი ოქროს უამრავი ფირფიტისაგან შედგება, მათი ერთი მხარე პოლიმერული საფენითაა დაფარული, მეორეზე კი ერთჯაჭვიანი დნმ-ს ფრაგმენტებია დამაგრებული. ნუკლეინის მჟავას ათასობით მოლეკულა ოქროს ფირფიტაზე მატრიცის სახითაა განლაგებული. მათი მიმდევრობები იდენტურია, განსხვავებულია მხოლოდ კიდურა ფრაგმენტები, რომლებიც ფირფიტაზე მდებარე ნებისმიერი მოლეკულის იდენტიფიცირების საშუალებას იძლევა. 

დეტექტორმა შემდეგნაირად უნდა იმუშაოს. თავიდან ვიმპი (WIMP- სუსტად ურთიერთქმედი მასიური ნაწილაკი), ბნელი მატერიის ჰიპოთეტური ნაწილაკი, ოქროს ფირფიტიდან მეტალის ბირთვს ამოაგდებს, რომელიც დნმ-ს მოლეკულათა „ტყეში“ მოხვდება. ფირფიტიდან საწინააღმდეგო მხარეს მდებარე პოლიმერული საფენისკენ მოძრაობისას ბირთვი ნუკლეინის მჟავას რამდენიმე მოლეკულის გახლეჩას ასწრებს, რომელთა ფრაგმენტებს ფირფიტას აშორებენ და გულდასმით აგროვებენ. დაზიანებული ფრაგმენტების მიხედვით, ნანომეტრის სიზუსტით ადგენენ ბირთვის მოძრაობის ტრაექტორიას, ანუ ნაწილაკის ენერგიასაც.

ასეთი დეტექტორის შექმნა ძალიან რთულია, რადგან ის დნმ-ს ძალიან გრძელ მოლეკულათა დიდ რაოდენობას მოითხოვს (10 ათასამდე), რომლებიც მკაცრად დაცული მიმდევრობით არის განლაგებული, მიკროჩიპისთვის ძალიან დიდი ზომის ფირფიტაზე – დახლოებით მეტრი. დნმ-ს სინთეზის არსებული მეთოდები ნუკლეინის მჟავას რამდენიმე ათეული მოლეკულის, რამდენიმე კვადრატულ მილიმეტრზე დატანის საშუალებას იძლევა. ყოველ მოლეკულას მაგნიტური ბურთულა აქვს მიმაგრებული რათა მოხდეს მათი გარკვეული მიმდევრობით მოწყობა, რაც ერთჯაჭვიანი დნმ-ს შემთხვევაში კიდევ უფრო ძნელია. სიმეტრიული განლაგებით დაწყობა ამ ბურთულებზე მაგნიტური ველის მოქმედებით ხდება.

ბნელი მატერიის არსებობის დადგენა, ვიმპების ძებნისას, დღე და ღამე მიღებული შედეგების შედარებით მოხდება, რადგან დედამიწის ბრუნვის გამო, დეტექტორების განლაგების კუთხე გედის თანავარსკვლავედის მიმართ მუდმივად იცვლება. არსებული თეორიებიდან გამომდინარე, გალაქტიკაში მოძრაობის დროს მზის სისტემა და შესაბამისად დედამიწაც, ბნელი მატერიის გროვაში გადის, რომელიც ჩვენსკენ გედის თანავარსკვლავედის მხრიდან მოძრაობს.

5. ექსპერიმენტ LUX-ის პირველი მონაცემების შეგროვება 2013 წლის აპრილიდან აგვისტომდე ხდებოდა. სტატისტიკის დაგროვება 2014 წლისთვის განახლდება და დაახლოებით ერთი წელი გასტანს (luxdarkmatter.org).

 თუ დეტექტორის ყოველ რეაგირებას დავითვლით, სამი თვის განმავლობაში 100 მილიონი ასეთი მოვლენა დაგროვდა, თუმცა, პრაქტიკულად ყველა მათგანი ფონური პროცესების გამოვლენაა. გადარჩევის ყველა კრიტერიუმის გამოყენების მერე, ამ სტატისტიკისგან მხოლოდ 160 მოვლენა დარჩა, რომლებიც დეტექტორის ცენტრალურ ნაწილში დარეგისტრირდა. მათი უმრავლესობა ყველაზე უფრო ძნელად აღმოსაფხვრლ ფონურ წყაროს უკავშირდება, დაკავშირებულს ელექტრონებთან. დეტექტორ LUX-ს ფონური მოვლენების ნამდვილისგან განხვავება შეუძლია, ოღონდ მხოლოდ სტატისტიკურად. არჩეული მოვლენები ნარჩენ ფონს უნდა მივაწეროთ თუ არა?

 აღმოჩნდა, რომ კი, უნდა მივაწეროთ. იყო მოვლენები, რომლებიც საეჭვოდ გამოიყურებოდა, თუ მათ ნამდვილ სიგნალად ჩავთვლით, მაშინ მისი სტატისტიკური მნიშვნელობა ისეთი დაბალი იქნება, რომ რაღაც ახალის აღმოჩენად არ შეიძლება ჩაითვალოს. ამგვარად, კოლაბორაციის პირველი შედეგი ასეთია: სამთვიანი მუშაობის განმავლოაბში, ბნელი მატერიის ნაწილაკთა აღმოჩენის ვერანაირი მტკიცებულება ვერ იქნა მიღებული.

დეტექტორის მატერიასთან ბნელი მატერიის იშვიათი შეჯახებისას, თვით ენერგოგამოყოფა ან ატომის იონიზაციით წარმოქმნილი სუსტი ანთება ფიქსირდება.

 LUX-მა სამი თვის განმავლობაში ექსპერიმენტ XENON100-ის შედეგები გააუმჯობესა, რომელიც აქამდე, მგრძნობელობის თვალსაზრისით, რეკორდულად ითვლებოდა. დაახლოებით ორჯერადი  გაუმჯობესებაა მიღწეული დიდი მასების შემთხვევაში და უფრო მეტად 20 გევ-ზე ნაკლები მასებისას. ეს იმას ნიშნავს, რომ გამოცხადებული ყველა დადებითი შედეგები, LUX-ის მონაცემებს ეწინააღმდეგება.

 რა იქნება მომავალში? ერთი წლის განმავლობაში დაგროვებული სტატისტიკით, კოლაბორაცია LUX-ი ამ ზღვრებს კიდევ ხუთჯერ გააუმჯობესებს. პარალელურად, ერთ-ორ წელიწადში ბნელი მატერიის მძებნელი სხვა მსხვილი ექსპერიმენტების შედეგებიც დაიწყებს გამოჩენას. თუ ეს საერთო ძებნა უარყოფითი შედეგებით დასრულდა, შეზღუდვები სუპერსიმეტრიულ მოდელებსა და ახალ ფიზიკაზე კიდევ უფრო მკაცრი გახდება.თუმცა, ამასთან ერთად, ბნელი მატერიის ძებნის პრობლემა კიდევ უფრო გამწვავდება. ის ფაქტი, რომ ბნელი მატერიის ნაწილაკები პირდაპირი დამზერით ვერ გამოვლინდა (მხოლოდ ასტროფიზიკურ დაკვირვებებში), ნიშნავს, რომ მათ სულ სხვა მასები აქვთ, რომელთა ექსპერიმენტით შემოწმება ძალიან რთულია, ან მათი ურთიერთქმედება ისეთი მცირეა, რომ ახლანდელ დეტექტორებში შესამჩნევ სიგნალს ვერ აჩენს, ან ჩვეულებრივ მატრიასთან მათ შეჯახებებს რაღაც ეგზოტიური თვისებები გააჩნია. ყველა ვარიანტში, ექსპერიმენტატორებს იმაზე ფიქრი მოუწევთ, როგორ მოხდეს ამ ნაწილაკების საიმედოდ აღმოჩენა, ხოლო თეორეტიკოსები რაიმე ირიბი მეთოდების გამოძებნაზე იმუშავებენ, რომლებშიც მოუხელთებელი ნაწილაკების არაპირდაპირი რეგისტრაციით შესწავლა იქნება შესაძლებელი. ყველა შემთხვევაში, ეს სიტუაცია უახლოეს ათწლეუში კიდევ უფრო გამძაფრდება (ბნელი მატერია სამყაროს ”ბავშვობის დროინდელ” ფოტოზე).

Leave a Reply

თქვენი ელფოსტის მისამართი გამოქვეყნებული არ იყო. აუცილებელი ველები მონიშნულია *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.