Περίπου το 80% της μάζας του Σύμπαντος θεωρείται ότι αποτελείται από Σκοτεινή Ύλη. Παρ’ όλα αυτά, η φύση και η δομή των σωματιδίων που τη συγκροτούν παραμένουν ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της φυσικής. Οι επιστήμονες εδώ και δεκαετίες αναζητούν τρόπους να ανιχνεύσουν έστω έμμεσα αυτά τα φευγαλέα σωματίδια, όμως μέχρι σήμερα καμία πειραματική διάταξη δεν έχει δώσει σαφή απόδειξη της ύπαρξής τους. Ένα νέο επίτευγμα από το University of Zurich υπόσχεται να αλλάξει τα δεδομένα: η ανάπτυξη ενός υπεραγώγιμου ανιχνευτή τόσο ευαίσθητου, που μπορεί να εντοπίσει σωματίδια Σκοτεινής Ύλης ελαφρύτερα ακόμα και από το ηλεκτρόνιο.
Η διεθνής ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τους Laura Baudis, Titus Neupert, Björn Penning και Andreas Schilling από το Τμήμα Φυσικής του UZH, κατάφερε να διευρύνει την αναζήτηση της Σκοτεινής Ύλης σε μια μάζα κάτω από το ένα mega electron volt (MeV). Χρησιμοποιώντας μια βελτιωμένη εκδοχή του ανιχνευτή SNSPD, πέτυχαν να εντοπίζουν γεγονότα με όριο ευαισθησίας περίπου στο ένα δέκατο της μάζας ενός ηλεκτρονίου. Πρόκειται για μια περιοχή που έως τώρα παρέμενε απρόσιτη με τις υπάρχουσες τεχνολογίες, όπως οι ανιχνευτές υγρού ξένου.
Η αρχή λειτουργίας του SNSPD είναι εντυπωσιακά κομψή. Όταν ένα φωτόνιο χτυπά το υπεραγώγιμο καλώδιο, προκαλεί μια ελάχιστη αύξηση θερμοκρασίας. Αυτό αρκεί για να χαθεί προσωρινά η υπεραγωγιμότητα και το σύρμα να μετατραπεί σε κανονικό αγωγό. Η στιγμιαία αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης μετριέται με μεγάλη ακρίβεια, αποτελώντας απόδειξη ότι το φωτόνιο —και ενδεχομένως το σωματίδιο σκοτεινής ύλης που το προκάλεσε— ανιχνεύθηκε.
Ήδη από το 2022, η ίδια ερευνητική ομάδα είχε παρουσιάσει μια πρώτη εκδοχή της τεχνολογίας, αποδεικνύοντας ότι είναι δυνατόν να καταγράφονται φωτόνια χαμηλής ενέργειας, κάτι που μέχρι τότε φαινόταν ακατόρθωτο. Στο νέο πείραμα, οι επιστήμονες προχώρησαν ένα βήμα παραπέρα: αντικατέστησαν τα νανοσύρματα με μικροσύρματα ώστε να αυξηθεί η διατομή και σχεδίασαν μια επίπεδη γεωμετρία, δίνοντας στο σύστημα μεγαλύτερη ικανότητα κατεύθυνσης.
Η τελευταία αυτή βελτίωση είναι κρίσιμη, καθώς οι φυσικοί πιστεύουν ότι η Γη κινείται μέσα σε έναν «άνεμο» σωματιδίων Σκοτεινής Ύλης. Η σχετική ταχύτητα Γης και Γαλαξία μεταβάλλει την κατεύθυνση αυτού του «ανέμου» στη διάρκεια του έτους. Ένας ανιχνευτής που μπορεί να καταγράφει τέτοιες κατευθυντικές μεταβολές έχει τη δυνατότητα να ξεχωρίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια τα πιθανά σήματα σκοτεινής ύλης από τα τυχαία γεγονότα που προκαλούνται από άλλες πηγές ακτινοβολίας.
Ο Titus Neupert υπογραμμίζει ότι οι δυνατότητες της τεχνολογίας δεν σταματούν εδώ. Με περαιτέρω βελτιώσεις, το SNSPD ίσως καταφέρει να ανιχνεύσει σήματα από σωματίδια με ακόμη μικρότερη μάζα. Παράλληλα, οι ερευνητές σχεδιάζουν να τοποθετήσουν το σύστημα σε υπόγειες εγκαταστάσεις, ώστε να μειώσουν στο ελάχιστο την παρεμβολή από κοσμικές ακτίνες και άλλες πηγές θορύβου.
Η σημασία του νέου ανιχνευτή δεν περιορίζεται μόνο στην τεχνική καινοτομία. Η διεύρυνση της αναζήτησης σε μάζες μικρότερες από το ηλεκτρόνιο αποτελεί ένα καθοριστικό βήμα για τη θεωρητική φυσική. Μέχρι τώρα, τα περισσότερα μοντέλα επικεντρώνονταν σε σωματίδια με μάζα συγκρίσιμη με γνωστά στοιχειώδη σωματίδια. Το γεγονός ότι δεν έχει εντοπιστεί τίποτα σε αυτό το φάσμα οδήγησε στην αμφισβήτηση και τον επανασχεδιασμό θεωριών. Η δυνατότητα διερεύνησης ακόμη μικρότερων μαζών αναγκάζει την επιστημονική κοινότητα να ξανασκεφτεί τα όρια και τους περιορισμούς που ισχύουν στα υπάρχοντα κοσμολογικά μοντέλα.
Η Laura Baudis, πρώτη συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε: «Είναι η πρώτη φορά που μπορούμε να αναζητήσουμε σωματίδια Σκοτεινής Ύλης σε τόσο χαμηλό φάσμα μαζών, χάρη σε αυτή τη νέα τεχνολογία ανίχνευσης». Η δήλωσή της συμπυκνώνει τη σημασία ενός επιτεύγματος που δεν είναι απλώς τεχνικό, αλλά και βαθιά επιστημονικό: η δυνατότητα να ανοίξει ένα νέο παράθυρο σε έναν κόσμο που, μέχρι στιγμής, παραμένει αθέατος.
Φυσικά, η πρόκληση παραμένει τεράστια. Κανένα πείραμα δεν έχει καταφέρει να ανιχνεύσει άμεσα σωματίδια Σκοτεινής Ύλης, και κάθε νέα αποτυχία είναι ταυτόχρονα μια επιβεβαίωση ότι η αναζήτηση πρέπει να στραφεί αλλού. Ο νέος ανιχνευτής δεν υπόσχεται βεβαιότητα, αλλά προσφέρει κάτι ίσως πιο σημαντικό: μια ρεαλιστική πιθανότητα να πλησιάσουμε για πρώτη φορά την άμεση απόδειξη της σκοτεινής ύλης.
Αν τελικά αυτή η τεχνολογία επιβεβαιώσει την ύπαρξη σωματιδίων ελαφρύτερων από το ηλεκτρόνιο, θα μιλάμε για μια ανακάλυψη ικανή να αλλάξει όχι μόνο την Κοσμολογία, αλλά και την κατανόησή μας για τις θεμελιώδεις δυνάμεις που συγκρατούν το Σύμπαν.
[via]
