AstroCent i niewidzialny Wszechświat

To, co widzimy na nocnym niebie, jest jedynie cienką warstwą rzeczywistości. Zdecydowana większość materii we Wszechświecie nie świeci, nie odbija światła i pozostaje niewidzialna dla klasycznych teleskopów. O tym, jak naukowcy próbują ją uchwycić, opowiada prof. Marcin Kuźniak w podcaście Człowiek 2.0, prowadzonym przez Jana Stradowskiego

Astrofizyka cząstek zajmuje się zjawiskami, których nie da się badać wyłącznie za pomocą światła czy fal radiowych. W centrum jej zainteresowania znajdują się trzy obszary: neutrina, fale grawitacyjne i ciemna materia. To właśnie ta ostatnia pozostaje największą zagadką współczesnej astrofizyki. Prof. Kuźniak przypomina, że od ponad stu lat wiadomo, iż masa widocznych obiektów nie wystarcza do wyjaśnienia ruchu galaktyk. Gwiazdy na ich obrzeżach poruszają się zbyt szybko, by mogły pozostawać związane grawitacyjnie wyłącznie dzięki znanej materii.

„Wiemy dziś bardzo precyzyjnie, dzięki obserwacjom mikrofalowego promieniowania tła, że ciemnej materii jest około pięciokrotnie więcej niż zwykłej materii znanej dotychczas nauce” — mówi badacz. Bez niej, jak pokazują symulacje, struktury Wszechświata w ogóle nie mogłyby powstać. Problem polega na tym, że mimo licznych dowodów pośrednich wciąż nie wiadomo, czym ona jest.

Najbardziej prawdopodobny scenariusz zakłada, że ciemna materia składa się z nieznanych jeszcze cząstek. Jednym z kandydatów są tzw. WIMP-y, czyli słabo oddziałujące masywne cząstki. Ich wykrycie jest jednak ekstremalnie trudne. „Średnia gęstość tej materii we Wszechświecie odpowiada mniej więcej masie protonu na trzy centymetry sześcienne” — wyjaśnia prof. Kuźniak.

Eksperymenty nie próbują więc obserwować ciemnej materii bezpośrednio, lecz rejestrują jej potencjalne ślady. Chodzi o niezwykle rzadkie zderzenia z jądrami atomów w detektorze, które mogą wywołać jonizację, błysk światła lub minimalny wzrost temperatury. W AstroCeNT badacze rozwijają technologie oparte na ciekłym argonie, który silnie świeci po takim zdarzeniu i może być bardzo skutecznie oczyszczany.

Największym wyzwaniem w poszukiwaniu ciemnej materii jest tło — sygnały, które mogą ją naśladować. Dlatego detektory ukrywa się głęboko pod ziemią, a mimo to nawet pojedyncze atomy promieniotwórcze mogą zaburzyć pomiar. W takich warunkach powstają eksperymenty jak DarkSide i planowany Argo, współtworzone przez AstroCeNT, które zbliżają się do granicy możliwości — momentu, gdy sygnały neutrin stają się niemal nieodróżnialne od ciemnej materii. O tym, gdzie dziś przebiega granica poznania i jakie technologie z niej wyrastają, opowiada prof. Marcin Kuźniak w podcaście Człowiek 2.0. Całego odcinka można posłuchać tutaj. 

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi
• Polska Akademia Nauk
• popularyzacja