Australien söker "mörk materia" i djupt guldgruva

Innehållsförteckning:

Australien söker "mörk materia" i djupt guldgruva
Australien söker "mörk materia" i djupt guldgruva
Anonim

I djupet av en guldgruva i utkanten av den lilla viktorianska staden Stowell, som ligger några timmars bilresa nordväst om Melbourne, byggs ett laboratorium för att söka efter en av de mest svårfångade ämnena i universum - mörk materia.

En kilometer under jord är labbet nu mer som en grotta i storlek tennisbana än ett företag på flera miljoner dollar. Detta beror på att labbet - ett partnerskap mellan University of Melbourne, ANSTO, Swinburne och andra - fortfarande är under utveckling. Men om det lyckas kan det hjälpa till att lösa ett av astrofysikens största mysterier.

"Det här är en kritisk tid för oss", säger Phillip Urquiho, docent vid University of Melbourne, partikelfysiker och teknisk koordinator för ett experiment med mörk materia som kallas SABER - Sodium Jodide with Active Background Rejection Experiment.

"Själva laboratoriet borde vara klart i december. Vi hoppas att vi i november kommer att kunna ta med några av vår experimentella utrustning."

Mörk materia, som tros utgöra 85% av materia i universum, är inte lätt att hitta. Det är inte synligt vid någon av de våglängder som vanligtvis används för att detektera rymdobjekt som gas och damm. Dessutom verkar det som att det inte interagerar med elektromagnetiska krafter alls - vilket innebär att det inte absorberar, reflekterar eller avger ljus.

Forskare vet om dess existens bara för att stjärnor, galaxer och galaxkluster utövar för stark dragningskraft utan någon ytterligare förklaring, till exempel att det någonstans gömmer sig en hög med mörk materia.

"Om vi kan hitta det är det ett garanterat Nobelpris", säger ANSTO: s seniorrådgivare för strategiska projekt, Dr Richard Garrett. "Det är som [gravitationsvågor. Det här är en annan sak som letade efter 30-40 år, tills äntligen dessa enorma experiment (i synnerhet Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory) inte hittade det."

Men sökandet efter mörk materia har hittills misslyckats. Fortfarande.

Under våra näsor

Forskare försöker upptäcka mörk materia på jorden på olika sätt.

Det första sättet är att fånga mörk materia som förfaller till något vi kan upptäcka, som gammastrålning eller partikel-antipartikelpar. Tyvärr är mörk materia inte den enda astronomiska processen som producerar dem, vilket ger ytterligare ett lager av komplexitet till processen.

Det finns detektorer som SABER som försöker upptäcka rekylen av hypotetiska partiklar i mörk materia som kallas svagt interagerande massiva partiklar, eller WIMPS, från källor djupt under jorden.

Image
Image

Men varje detektor som byggts hittills har bara upptäckt signaler som kan hänföras till en annan orsak. Mörk materia förblir obegriplig.

Med ett undantag. Under de senaste 25 åren har en detektor som heter DAMA / LIBRA vid Laboratori Nazionali del Gran Sasso nära L'Aquila i nordöstra Italien noterat ett årligt mönster i antalet inspelade signaler. Kallas "årlig moduleringseffekt", det kan orsakas av att jorden rör sig in och ut ur vår galax halo av mörk materia.

"Under dessa 25 år har [DAMA / LIBRA] -data visat att den har denna årliga moduleringseffekt med en extremt, extremt hög nivå av förtroende", säger Urquijo."Genom sin forskning och oberoende granskningar av sin forskning kunde de inte utesluta den mörka materiens hypotes för att förklara den."

Det italienska laboratoriet var något av en "vit kråka" i detektornas värld, eftersom ingen annan detektor kunde replikera deras resultat. En av anledningarna till detta är att DAMA / LIBRA -teamet använde speciella kristaller av natriumjodid. De var de mest radiostädade - det vill säga med en mycket låg radioaktivitet - som någonsin skapats, och laget har fortfarande detta rekord.

För produktion av kristaller används natriumjodidpulver "astrograd" - en förening med låg radioaktivitet, men ännu inte en kristall. När forskare odlar en kristall från ett pulver, fastnar vanligtvis radioaktiva föroreningar från miljön i kristallerna, så mycket specifik utrustning krävs för att växa och rena kristallerna samtidigt som låg radioaktivitet bibehålls.

"Det är faktiskt en mycket komplex och tidskrävande FoU-process som är väldigt, väldigt nischad", säger Urquijo om kristaller.

Men DAMA / LIBRA -skeptiker tror inte att detta beror på kristallernas radioaktiva renhet. Eftersom detta mönster detekteras årligen antar de att detektorn mäter denna signalförändring endast i samband med de skiftande årstiderna.

Det är här det faktum att vi är på andra sidan världen med motsatta årstider är till nytta.

"Om vi ser samma effekt som de, vet vi att detta inte är en säsongseffekt, utan något externt", säger Urquiho. "I grund och botten kommer vi båda att se mörk materia."

Även om det inte är mörk materia, skulle det fortfarande vara något utanför Jorden som forskare ännu inte vet om, vilket skulle vara nästan lika spännande som att hitta mörk materia. Men först måste de göra klart detektorn.

Hittills har de gjort natriumjodidkristallerna ännu mer radiorena än de som används i DAMA / LIBRA -experimentet - en bedrift som har krävt en lång process av forskning och utveckling mellan institut runt om i världen.

ANSTO har redan installerat utrustning för att testa de minsta strålningsnivåerna, och teamet testar allt material för radioaktivitet och ser till att allt är så lågt som möjligt. Små strålningsnivåer finns runt omkring oss - till och med bananer och människor är till exempel något radioaktiva. Därför måste teamet begränsa denna "normala" radioaktivitet så att den inte stör detektorns funktion.

"Vi har mätt alla typer av sand, grus och cementpulver från hela Australien för att hitta den bästa betongblandningen för konstruktion", säger Garrett.

"Vi letar djupt under jorden efter väldigt, väldigt svaga signaler, men det är ingen idé att göra detta om betongen vi använder är radioaktiv."

Sedan - platsen. Det finns många positiva aspekter av att arbeta i en aktiv guldgruva. Gruvföretaget sköter all ventilation och säkerhetshantering. Dessutom kan gruvarbetare transportera forskare i specialutrustade gruvbilar genom långa, slingrande tunnlar ända till laboratoriet.

Men denna metod har sina nackdelar och problem. Byggandet av laboratoriet försenades i nästan tre år när gruvan bytte ägare och stängde en stund. Dessutom måste grottan tömmas var åttonde timme så att gruvarbetarna kan spränga efter guld.

I diagrammen ser SABER ut som en ljuskrona inuti ett kärl, inneslutet i ett metallvalv. Själva detektorn är en ljuskrona som hänger från toppen av kärlet och fylld med 50 kg kristaller av radiorenad natriumjodid för att upptäcka små inslag av strålning.

Chanen, som teamet kallar Veto, är full av fotomultiplikatorer (otroligt känsliga ljusdetektorer) och kommer att innehålla linjär alkylbensen, en vätska som vanligtvis används för att göra tvättmedel, men i detta fall används den som en "flytande scintillator" som kommer att blinka med ljus när det träffar honom strålning. Och det finns också ett fyrmetersvalv, som även Urquiho kan säga är lite för mycket: SABER kommer att innehålla cirka 100 ton stål, vilket skyddar experimentet från strålning av lösa partiklar som kan förstöra eventuella mätningar.

"Vi hade riktig paranoia om bakgrundsstrålningen", förklarar Urquijo. "Regionen med den lägsta radioaktiviteten som finns någonstans på södra halvklotet ligger mitt i dessa kristaller."

Men nu har delarna av detektorn ännu inte transporterats till gruvan - istället finns en del av utrustningen för att söka efter mörk materia på parkeringen.

"University of Melbourne har inte mycket lagringsutrymme för utrustning, så vi använder vår ANSTO -anslutning för att bara placera vätskescintillatorn på parkeringen", säger Urquijo.

När detektorn äntligen är installerad återstår bara att sitta på ytan och vänta på resultaten. Men tills dess har laget något att göra.

"Varje material kommer till oss, och vi mäter dess radioaktivitet för att se om det är tillräckligt bra", säger Garrett.

"Det är ett lopp mot tiden."

Rekommenderad: