Ενάμιση Χιλιόμετρο Κάτω από τη Γη, στο Κυνήγι του Αόρατου Σύμπαντος

Ο Γαλαξίας πάνω από τις Ιταλικές Άλπεις
Πηγή Εικόνας: Από wirestock – https://www.freepik.com/free-photo/breathtaking-scenery-milky-way-italian-alps_12304890.htm#fromView=keyword&page=1&position=1&uuid=8f5c2859-4bd5-454b-b63b-a9b6bd9ce5df&query=Night+sky+mountain

Φανταστείτε να ψάχνετε κάτι που είστε σχεδόν σίγουροι ότι υπάρχει αλλά που αδιαφορεί επιδεικτικά για κάθε σας προσπάθεια ανίχνευσης. Η Σκοτεινή Ύλη, η οποία αποτελεί το 27% όλης της ύλης του σύμπαντος, είναι ακριβώς αυτή η ερεθιστική ύπαρξη: ένα αόρατο φάντασμα που διαπερνά ολόκληρα γαλαξιακά σμήνη σαν να μην υπάρχουν, που κρατάει τους γαλαξίες ενωμένους σαν κοσμική κόλλα, κι όμως δεν εκπέμπει, δεν απορροφά και δεν ανακλά φως. Σαν σκιά στο σκοτάδι.

Την άνοιξη του 2018, 165 επιστήμονες από 12 χώρες αποφάσισαν να πάρουν τα ηνία, με ένα εργαλείο ακραίων διαστάσεων.

Το θηρίο κάτω από το βουνό

Στην καρδιά των ιταλικών Απεννίνων, ενάμιση χιλιόμετρο κάτω από τις κορυφές του Gran Sasso, εδρεύει ένα από τα πιο ακραία επιστημονικά μηχανήματα που έχει κατασκευάσει ο άνθρωπος. Το XENON1T είναι ένα αποκομμένο κομμάτι του σύμπαντος, σχεδιασμένο με μοναδικό στόχο την απόλυτη ησυχία.

Εγκατάσταση XENON1T στην υπόγεια αίθουσα του Εθνικού Εργαστηρίου Gran Sasso στην Ιταλία
Πηγή Εικόνας: Credit: XENON Collaboration – https://xenonexperiment.org/photos/­­

Γιατί τόσο βαθιά; Διότι η κοσμική ακτινοβολία που πλημμυρίζει την επιφάνεια της Γης θα «τύφλωνε» οποιονδήποτε ευαίσθητο ανιχνευτή σε δευτερόλεπτα. Τα 1.400 μέτρα βράχου από πάνω λειτουργούν ως η πιο φυσική θωράκιση που μπορούσε να επινοηθεί. Εκεί κάτω, μέσα σε μια γιγάντια δεξαμενή νερού που λειτουργεί κι αυτή ως επιπλέον προστασία, βρίσκεται ο πυρήνας του πειράματος: μια κυλινδρική κάψουλα με 3,2 τόνους υγρού ξένου (⁵⁴Xe) στους -96°C, ψυχρότερη και από τον πιο σκληρό χειμώνα που έχει καταγραφεί ποτέ στην Ανταρκτική.

Η λογική είναι κομψά απλή. Τα λεγόμενα WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), τα πιο πιθανά υποψήφια ως σωματίδια Σκοτεινής Ύλης, είναι θεωρητικά βαριά σωματίδια που αλληλεπιδρούν εξαιρετικά σπάνια με κανονική ύλη. Αν ένα τέτοιο σωματίδιο συγκρουστεί με έναν πυρήνα ξένου, θα αφήσει ένα μικροσκοπικό ίχνος φωτός και ηλεκτρισμού. Και εκεί κρύβεται η μαγεία: το XENON1T ήταν τόσο ευαίσθητο, που μπορούσε θεωρητικά να «ακούσει» αυτόν τον ψίθυρο ενέργειας ανάμεσα σε έναν ωκεανό θορύβου.

Κάθε σημείο κρύβει μια ιστορία — και μια «πίτα»

Εδώ ξεπροβάλλει ένα από τα πιο αξιοθαύμαστα στοιχεία της έρευνας: ο τρόπος που οι επιστήμονες απέδωσαν τα δεδομένα τους.

Χάρτες πιθανοτήτων: χωρική κατανομή των καταγεγραμμένων γεγονότων στον ανιχνευτή, με κάθε κυκλικό διάγραμμα να αποκαλύπτει την πιθανή προέλευσή του — από γνωστές πηγές θορύβου έως, ίσως, Σκοτεινή Ύλη
Πηγή Εικόνας: Aprile, E., Aalbers, J., Agostini, F., Alfonsi, M., Althueser, L., Amaro, F. D., Anthony, M., Arneodo, F., Baudis, L., Bauermeister, B., … & Zhu, T. (XENON Collaboration). (2018). Dark matter search results from a one ton-year exposure of XENON1T. Physical Review Letters, 121(11), 111302. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.111302

Αντί για στεγνούς πίνακες ή γραμμές που δεν λένε τίποτα σε κανέναν εκτός από τον απειροστό πληθυσμό ερευνητών Σκοτεινής Ύλης, επέλεξαν κάτι σχεδόν ποιητικό. Κάθε γεγονός που καταγράφηκε στον ανιχνευτή αναπαρίσταται στα γραφήματά τους ως ένα μικροσκοπικό κυκλικό διάγραμμα, μια «πίτα». Τα χρώματά της αντιστοιχούν στην πιθανότητα το σήμα να προέρχεται από διαφορετική πηγή: ηλεκτρονική σκέδαση, ραδιενεργό θόρυβο, νετρόνια, τυχαίες συμπτώσεις, ή το jack-pot, ένα αληθινό σωματίδιο Σκοτεινής Ύλης. Όσο πιο μεγάλο και έντονο το αντίστοιχο χρώμα, τόσο πιο πιθανή εκείνη η εξήγηση για εκείνο το γεγονός. Είναι, ουσιαστικά, μια οπτικοποίηση της επιστημονικής αβεβαιότητας: κάθε σημείο έχει τη δική του μοναδική ιστορία, ενώ όλα μαζί υφαίνουν την ταπετσαρία μιας ακόρεστης αναζήτησης.

Ήττα ή νίκη; Ούτε το ένα, ούτε το άλλο

Μετά από σχεδόν 279 μέρες λειτουργίας, η απάντηση ήταν σαφής: κανένα αξιόπιστο σήμα Σκοτεινής Ύλης. Το WIMP δεν εμφανίστηκε.­­_­

Κι όμως, αυτή η σιωπή είχε τεράστια αξία. Το XENON1T κατέγραψε το χαμηλότερο ποσοστό παρεμβολών υποβάθρου που έχει πετύχει ποτέ άλλος ανιχνευτής. Επιπλέον, έθεσε τα αυστηρότερα όρια εκείνη την εποχή για το πόσο αδύναμη μπορεί να είναι η αλληλεπίδραση ενός WIMP με κανονική ύλη, φτάνοντας στα 4×10^-47 cm². Για να αποκτήσετε κάποια αίσθηση αυτού του νούμερου, φανταστείτε να πετάτε τυφλά ένα βελάκι στον παγκόσμιο χάρτη και να πέφτει μέσα στη Μεσόγειο — έξι φορές συνεχόμενα. Αυτή περίπου είναι η πιθανότητα ένα WIMP που διαπερνά ολόκληρη τη Γη να χτυπήσει κάποιον πυρήνα ύλης. Με κάθε αποτυχία εντοπισμού σήματος, το πείραμα σκιαγράφησε με αυξανόμενη ακρίβεια την λεγόμενη «απαγορευμένη περιοχή», δηλαδή εκεί που σίγουρα δεν κρύβεται η Σκοτεινή Ύλη. Όπως είχε δηλώσει ο Ethan Brown, μέλος της XENON Collaboration:

«Με αυτά τα αποτελέσματα, έχουμε πλέον ελέγξει πολλά νέα θεωρητικά μοντέλα Σκοτεινής Ύλης και έχουμε θέσει τους αυστηρότερους περιορισμούς σε αυτά τα μοντέλα μέχρι σήμερα»

Κι ενώ η Σκοτεινή Ύλη αρνούνταν να παρουσιαστεί, το XENON1T έκανε μια εντελώς απρόσμενη ανακάλυψη. Ανάμεσα στα δεδομένα του, οι επιστήμονες εντόπισαν για πρώτη φορά στην ιστορία την ραδιενεργό διάσπαση του ισοτόπου ξένου-124 (¹²⁴Xe), ενός στοιχείου με χρόνο ημιζωής περίπου 18×10²¹ χρόνια — ένα τρισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερο από την ηλικία του σύμπαντος. Ένας ανιχνευτής που έψαχνε βελόνα στα άχυρα και βρήκε ένα φαινόμενο που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ στην ιστορία της επιστήμης.

Ενάμιση Χιλιόμετρο Πιο Κοντά στην Ανακάλυψη

Τα αποτελέσματα του XENON1T έδωσαν το έναυσμα για την επόμενη γενιά ανιχνευτών. Αμέσως μετά, ξεκίνησε η κατασκευή νέων, ακόμα μεγαλύτερων ανιχνευτών σε τρεις ηπείρους. Οι διάδοχοι, XENONnT στην Ιταλία, LZ στις ΗΠΑ και PandaX-4T στην Κίνα, έχουν ήδη δημοσιεύσει τα πρώτα τους αποτελέσματα και συνεχίζουν να μαζεύουν δεδομένα, καθιστώντας τη Σκοτεινή Ύλη ολοένα πιο δύσκολο να κρυφτεί. Εξοπλισμένα με πολλαπλάσια ποσότητα υγρού ξένου και ακόμη πιο εξελιγμένη θωράκιση απέναντι στον κοσμικό θόρυβο, τα νέα αυτά μεγαθήρια στενεύουν ασφυκτικά τον κλοιό.

Άντρας φωτίζει με φακό τον έναστρο νυχτερινό ουρανό
Πηγή Εικόνας: Από ArtPhoto_studio – https://www.freepik.com/free-photo/male-traveler-shining-flashlight-into-night-starry-sky_27071382.htm#fromView=keyword&page=1&position=29&uuid=1a81b233-c4fc-4401-838d-6e975c74974b&query=Stargazing+alone

Ένα μηχάνημα χτισμένο με χειρουργική ακρίβεια, θαμμένο κάτω από χιλιόμετρα βράχου, γεμάτο υγρό αέριο σε αρκτικές θερμοκρασίες, ώστε να ακούσει τον πιο οριακά αντιληπτό ψίθυρο στο σύμπαν. Αυτή είναι η ανθρώπινη περιέργεια στην πιο ακραία της εκδοχή. Το XENON1T δεν έπιασε τη Σκοτεινή Ύλη. Μας έδειξε όμως, πώς να τη βρούμε. Και αυτό, μερικές φορές, είναι ο ακρογωνιαίος λίθος της πραγματικής ανακάλυψης.

Βιβλιογραφία

Aprile, E., Aalbers, J., Agostini, F., Alfonsi, M., Althueser, L., Amaro, F. D., Anthony, M., Arneodo, F., Baudis, L., Bauermeister, B., … & Zhu, T. (XENON Collaboration). (2018). Dark matter search results from a one ton-year exposure of XENON1T. Physical Review Letters, 121(11), 111302. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.111302

Aprile, E., Aalbers, J., Agostini, F., Alfonsi, M., Althueser, L., Amaro, F. D., Anthony, M., Arneodo, F., Baudis, L., Bauermeister, B., … & Zhu, T. (XENON Collaboration). (2019). Observation of two-neutrino double electron capture in ¹²⁴Xe with XENON1T. Nature, 568, 532–535. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1124-4

Martialay, M. L. (2018, May 29). XENON1T experimental data establishes most stringent limit on dark matter. Rensselaer Polytechnic Institute News. https://news.rpi.edu/content/2018/05/29/xenon1t-experimental-data-establishes-most-stringent-limit-dark-matter