Ciemna materia jeszcze bardziej nieuchwytna

188

Naukowcy spodziewają się, że Wszechświat – w tym także nasza Galaktyka – składa się w większości z nieznanej nam jeszcze ciemnej materii. Próbę wykrycia jej śladów podjął m.in. eksperyment neutrinowy Super-Kamiokande prowadzony z udziałem polskich naukowców. Dr Piotr Mijakowski (NCBJ) tłumaczy czego i jak szukamy oraz co wynika z negatywnego wyniku dotychczasowych poszukiwań. Autor jest jednym z 12 adiunktów NCBJ wyróżnionych w instytucie pod koniec 2020 r. za swoje badania.

Współczesne obserwacje i modele kosmologiczne sugerują, że tylko ok. 5 proc. masy i energii zawartej we Wszechświecie to znana nam dotychczas materia (tzw. materia barionowa). Spodziewane jest, że pozostałe jego składniki występują zarówno w formie nieznanego rodzaju cząstek, tzw. ciemna materia (27 proc. bilansu) oraz energii wypełniającej przestrzeń – tzw. ciemna energia (68 proc.). Poznanie natury tych tajemniczych składników stanowi jedną z największych obecnie zagadek stojących przed fizyką i kosmologią.

W niedawno opublikowanych badaniach poszukiwaliśmy dowodów istnienia cząstek ciemnej materii w naszej Galaktyce. Wykorzystaliśmy do tego znajdujący się w Japonii teleskop neutrinowy Super-Kamiokande. Jest to niezwykła infrastruktura badawcza – znajdujący się kilometr pod ziemią w starej kopalni. Zbiornik zawiera ok. 50 tysięcy ton ultraczystej wody i ma wielkość ok. 10 piętrowego budynku mieszkalnego. Teleskop ten jest przeznaczony do rejestracji oddziaływań neutrin produkowanych zarówno w znanych nam dotychczas źródłach jak np. Słońce, czy atmosfera ziemska, jak i być może w źródłach jeszcze nieodkrytych.

Spodziewamy się, że poszukiwane przez nas cząstki ciemnej materii powinny odpowiadać za minimum 90 proc. masy zawartej w galaktykach takich jak nasza oraz, że mogą one ze sobą anihilować, produkując w wyniku tego procesu znane nam cząstki z tzw. Modelu Standardowego, w tym neutrina. Przy pomocy zaawansowanych symulacji komputerowych stworzyliśmy szereg przewidywań jakie byłyby rozkłady energii oraz kierunku przylotu neutrin wyprodukowanych w wyniku anihilacji ciemnej materii w centrum oraz w halo Drogi Mlecznej widziane w naszym teleskopie.

Wykorzystując metody statystyczne, sprawdziliśmy czy rejestrowane przez Super-Kamiokande od 1996 roku oddziaływania neutrin zawierają jakiś wkład od neutrin z anihilacji ciemnej materii, biorąc pod uwagę wszystkie znane nam ich inne źródła. Nie zaobserwowaliśmy nadwyżki takiego potencjalnego sygnału ponad tło i dzięki temu mogliśmy wprowadzić ograniczenia na pewne własności cząstek ciemnej materii. Dla szerokiego zakresu ich spodziewanych mas są to w tej chwili najsilniejsze ograniczenia pochodzące z obserwacji teleskopów neutrinowych.

Doświadczenie zdobyte w dotychczasowych pracach pozwoliło na rozszerzenie tych studiów i wyznaczenie również przewidywań czułości na odkrycie cząstek ciemnej materii w obecnie powstających teleskopach neutrin nowej generacji takich jak Hyper-Kamiokande oraz KM3NeT.

Dr Piotr Mijakowski, Zakład Fizyki Wielkich Energii NCBJ

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać komentarz!
Please enter your name here