حدود 2400 متر زیر کوه های جین پینگ در جنوب غربی چین، عمیق ترین و بزرگترین آزمایشگاه زیرزمینی جهان به تازگی افتتاح شده است. این فضای عظیم خانه دانشمندانی است که در حال شکار ماده تاریک هستند. ماده فرضی که تصور می شود بیش از 80 درصد جرم کیهان را تشکیل می دهد.
آزمایشگاه زیرزمینی جین پینگ چین (CJPL) در سال 2010 افتتاح شد و پس از سه سال ساخت، فاز دوم آن، CJPL-II، در دسامبر 2023 به بهره برداری رسید. با ظرفیت گسترده 330000 متر مکعب، اکنون از آزمایشگاه ملی گرن ساسو پیشی گرفته است. (LNGS) در لاکویلا، ایتالیا، رکورددار قبلی هم از نظر عمق و هم حجم.
فضای اضافی به آزمایش هایی مانند آزمایش های زنون ذرات و اخترفیزیک (PandaX) و آزمایش ماده تاریک چین (CDEX) اجازه ارتقا داده است. خوان کولار، فیزیکدان دانشگاه شیکاگو در ایلینویز میگوید: “این شگفت انگیز است که آنها در یک دهه توانسته اند انجام دهند.”
ماده تاریک همچنان یک راز علمی است. فیزیکدانان محاسبه کرده اند که گرانش تولید شده توسط ماده مرئی بسیار ضعیف است و نمی تواند کهکشان های سریع السیر را از هم دور نگه دارد. بنابراین، آنها ماده تاریک را به عنوان چسب نامرئی که جهان را در کنار هم نگه می دارد، تئوری کردند.
اگرچه ماده تاریک باید همه جا باشد، اما مشاهده مستقیم آن دشوار است، زیرا تصور میشود که به سختی با ماده معمولی تعامل دارد و نور ساطع، بازتاب یا جذب نمیکند. ادعاهایی مبنی بر کشف ماده تاریک با پیشنهاداتی مبنی بر اینکه آزمایش ها ممکن است توسط سیگنال های دیگر مخدوش شده باشند، با مشکل مواجه شده است.
هنری تز-کینگ وونگ، فیزیکدان دانشگاه آکادمی سینیکا در نانگانگ، تایوان، که در CDEX کار می کند، می گوید: “شکوه علمی در انتظار کسانی است که برای اولین بار ماده تاریک را تشخیص می دهند و این جستجوی مداوم یکی از بزرگترین تلاش ها در فیزیک ذرات است.”
نور زیر کوه
بهترین مکان برای جستجوی ماده تاریک، زیر زمین است. زیرا لایه های آشکارسازهای سپر سنگی از «نویز» پس زمینه، مانند پرتوهای کیهانی – ذرات پرانرژی که از فضا به زمین میبارند – که میتوانند سیگنال های بالقوه ماده تاریک را غرق کنند. مارکو سلوی، فیزیکدان موسسه ملی فیزیک هسته ای در بولونیا، ایتالیا می گوید”تلاش برای تشخیص ماده تاریک در سطح زمین مثل تلاش برای شنیدن صدای کوچک یک کودک در داخل استادیوم است که در آن همه فریاد میزنند.”
در زیر زمین، CJPL-II با سرعت 0.000001 درصد سطح زمین در معرض پرتوهای کیهانی قرار می گیرد و آن را به یکی از بهترین آزمایشگاه های زیرزمینی محافظت شده در جهان تبدیل می کند. دیوارهای آن همچنین با یک سپر محافظ به ضخامت 10 سانتی متر ساخته شده از ترکیبی از لاستیک، بتن و سایر مواد که آب و گاز رادون رادیواکتیو را مسدود می کند، پوشیده شده است، که می تواند از سنگ اطراف نفوذ کند و آزمایش های تشخیص ماده تاریک را مختل کند.
تیم های تحقیقاتی این مرکز در حال حاضر از فضای اضافی استفاده می کنند. در حالی که CJPL-II در حال ساخت بود، تیم PandaX آشکارساز خود را از ظرفیت ۱۲۰ کیلوگرم زنون مایع به ۴ تن ارتقا داد. هنگامی که یک ذره بالقوه ماده تاریک با یک اتم زنون برخورد می کند، انرژی آن باید به فلاش های نور تبدیل شود که می تواند توسط حسگرهای نوری شناسایی شود.
این آشکارساز به آزمایش XENONnT LNGS (8.6 تن) و آزمایش LUX-ZEPLIN (7 تن) در مرکز تحقیقات زیرزمینی Sanford در لید، داکوتای جنوبی می رسد.
نینگ ژو، یکی از اعضای تیم، فیزیکدان دانشگاه شانگهای جیائو تونگ در چین، می گوید که آشکارساز PandaX-4T درون یک مخزن 900 متر مکعبی آب قرار می گیرد تا حتی بیشتر از آن در برابر ذرات سرگردان محافظت کند. او میگوید: “با حساسیت بهتر، میتوانیم با آشکارساز بازی کنیم و انواع مختلف تعاملات را آزمایش کنیم. هدف نهایی این تیم ساخت یک آشکارساز زنون با ظرفیت 40 تا 50 تن است. به گفته ژو، این رقیب آزمایش DARWIN اروپا است که هدف آن 40 تن است.”
در همین حال، تیم CDEX یک آشکارساز ژرمانیوم را نیز مستقر کرده است که ذرات ماده تاریک بالقوه را با جرمی حتی کمتر از آنچه آزمایش های زنون به دنبال آن هستند، هدف قرار میدهد. آشکارساز CDEX از ظرفیت 1 کیلوگرم به 10 کیلوگرم ژرمانیوم ارتقا یافته است، با برنامه ریزی برای ساخت یک آرایه آشکارساز حاوی یک تن.
اگر یک ذره ماده تاریک به این آشکارساز برخورد کند، این برهمکنش باید بارهایی تولید کند که به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند. ژو امیدوار است که از همکاران بین المللی بیشتری برای پیوستن به CDEX دعوت کند که در حال حاضر شامل محققانی از هند و ترکیه است.
سلوی میگوید: “اگرچه جستجو برای ماده تاریک در سطح جهانی رقابتی است، اما وجود چندین آزمایشگاه زیرزمینی در سراسر جهان که آزمایش های مشابهی را انجام میدهند، به محققان اجازه میدهد نتایج خود را با هم مقایسه کنند.”
در سال 2022، تیم PandaX توانست نتایج آزمایش XENON LNGS را تأیید کند که نشان داد سیگنال شگفت انگیز شناسایی شده توسط XENON در سال 2020 از نویز پس زمینه به جای ماده تاریک است. با استفاده از رویکردی مشابه.
اما کولار فکر میکند که تحقیقات در مورد ماده تاریک از رویکردها و ایدههای جدید سود میبرد نه اینکه با نسخه های بزرگتر و حساس تر از همان آشکارسازها، رقابت را شکست دهد. او می گوید: “در حال حاضر به اندازه کافی تکرار وجود دارد.”
ژو میگوید طی دهه آینده، تیم های CJPL-II به بهبود حساسیت آشکارسازهای خود ادامه خواهند داد. او همچنین امیدوار است که جامعه جهانی تحقیقات ماده تاریک مجموعه داده های CJPL-II را با مجموعه داده های خود به اشتراک بگذارد و ترکیب کند. او می گوید: “ما هنوز کارهای زیادی برای انجام دادن داریم.”