Kada je riječ o razumijevanju svemira, ono što znamo tek je mali dio ukupne slike. Tamna materija i tamna energija čine oko 95 posto univerzuma, ostavljajući svega pet posto „običnoj materiji“, odnosno onome što možemo vidjeti.
Dr Rupak Mahapatra, eksperimentalni fizičar čestica na Teksaškom univerzitetu A&M, dizajnira visoko napredne poluprovodničke detektore s kriogenim kvantnim senzorima, koji pokreću eksperimente širom svijeta i pomjeraju granice u istraživanju ove duboke misterije.
"To je kao da pokušavate opisati slona dodirujući samo njegov rep. Osjećamo nešto masivno i složeno, ali hvatamo samo jedan mali dio toga", rekao je on.
On i njegovi koautori predstavili su svoj rad u časopisu Applied Physics Letters.
Šta su tamna materija i tamna energija?
Tamna materija i tamna energija tako su nazvane jer je nepoznato od čega se sastoje. Tamna materija čini veći dio mase u galaksijama i galaktičkim jatima, oblikujući njihovu strukturu na najvećim razmjerama. S druge strane, tamna energija odnosi se na silu koja pokreće ubrzano širenje univerzuma. Drugim riječima, tamna materija drži stvari na okupu, dok ih tamna energija razdvaja.
Uprkos njihovoj rasprostranjenosti, nijedna ne emituje, ne apsorbuje niti reflektuje svjetlost, što ih čini gotovo nemogućim za direktno posmatranje. Ipak, njihovi gravitacijski efekti oblikuju galaksije i kosmičke strukture. Tamna energija je čak dominantnija od tamne materije: ona čini oko 68 posto ukupnog energetskog sadržaja univerzuma, dok tamna materija čini oko 27 posto.
Mahapatrina grupa razvija detektore toliko osjetljive da mogu uhvatiti signale čestica koje rijetko interaguju s običnom materijom, signale koji bi mogli otkriti prirodu tamne materije.
"Izazov je u tome što tamna materija interaguje tako slabo da su nam potrebni detektori sposobni da uoče događaje koji se mogu desiti jednom godišnje, ili čak jednom u deceniji", rekao je Mahapatra.
Tim je doprinio vodećoj svjetskoj potrazi za tamnom materijom koristeći detektor pod nazivom TESSERACT.
"Radi se o inovacijama. Pronalazimo načine da pojačamo signale koji su ranije bili zakopani u šumu", dodao je.
Pomjeranje granica mogućeg
Mahapatrin rad zasniva se na dugoj historiji pomjeranja granica detekcije, kroz učešće u vodećim svjetskim potragama, uključujući eksperiment SuperCDMS tokom posljednjih 25 godina. U prelomnom radu iz 2014. godine objavljenom u Physical Review Letters, on i saradnici uveli su kalorimetrijsku detekciju jonizacije pomoću napona u eksperimentu SuperCDMS, proboj koji je omogućio istraživačima da ispituju WIMP-ove male mase, vodeće kandidate za tamnu materiju. Ova tehnika dramatično je poboljšala osjetljivost na čestice koje su ranije bile nedostižne.
Nedavno, 2022. godine, Mahapatra je bio koautor studije koja je istraživala komplementarne strategije detekcije, direktnu detekciju, indirektnu detekciju i potragu za slabo interagujućim česticama WIMP u kolajderima. Ovaj rad naglašava globalni, višeslojni pristup rješavanju zagonetke tamne materije.
2Nijedan pojedinačni eksperiment neće nam dati sve odgovore. Potrebna nam je sinergija između različitih metoda kako bismo sklopili cijelu sliku", ističe Mahapatra.
Razumijevanje tamne materije nije samo akademska vježba, to je ključ za otključavanje fundamentalnih zakona prirode.
"Ako uspijemo detektovati tamnu materiju, otvorit ćemo novo poglavlje u fizici. Ova potraga zahtijeva izuzetno osjetljive tehnologije detekcije i mogla bi dovesti do tehnologija koje danas ne možemo ni zamisliti", rekao je Mahapatra.
WIMP-ovi su jedan od najperspektivnijih kandidata za tamnu materiju. Riječ je o hipotetičkim česticama koje interaguju putem gravitacije i slabe nuklearne sile, što ih čini nevjerovatno teškim za detektovanje. Zašto su važni? Ako WIMP-ovi postoje, mogli bi objasniti nedostajuću masu u univerzumu. Jedan WIMP mogao bi proći kroz Zemlju bez ostavljanja traga, pa su naučnicima potrebne godine prikupljanja podataka kako bi uočili čak i jedan jedini događaj.