Ahli astronomi tidak tahu apa itu materi gelap, tetapi mereka tahu ia mengambil kira 25% alam semesta. Pengesan yang kuat, jauh di bawah tanah di mineshota mungkin dapat sampai ke dasar misteri. Projek Cryogenic Dark Matter Search II akan berusaha mengesan Partikel Massa Berinteraksi Lemah (aka WIMPS). Zarah-zarah teori ini biasanya tidak berinteraksi dengan jirim, tetapi pelanggaran langka sekali-sekala mungkin dapat dikesan.
"Lebih sukar dan sukar untuk melepaskan diri dari kenyataan bahawa ada zat di luar sana yang membentuk sebahagian besar alam semesta yang tidak dapat kita lihat," kata Cabrera. "Bintang dan galaksi itu sendiri seperti lampu pokok Krismas di kapal besar ini yang gelap dan tidak menyerap atau memancarkan cahaya."
Dikebumikan jauh di bawah tanah di sebuah mineshaft di Minnesota terletak projek Cabrera, yang disebut Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). Ahli fizik University of California-Berkeley, Bernard Sadoulet berfungsi sebagai jurucakap usaha itu. Fermilab's Dan Bauer adalah pengurus projeknya, dan Dan Akerib dari Case Western Reserve University adalah timbalan pengurus projek. Sekumpulan 46 saintis di 13 institusi bekerjasama dalam projek ini.
Untuk menangkap WIMP
Eksperimen ini adalah yang paling sensitif di dunia yang bertujuan untuk mengesan zarah-zarah eksotik yang disebut WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), yang merupakan salah satu sangkaan saintis terbaik mengenai apa yang membentuk bahan gelap. Pilihan lain termasuk neutrino, zarah berteori yang disebut aksion atau bahkan benda normal seperti lubang hitam dan bintang kerdil coklat yang terlalu samar untuk dilihat.
WIMPS dianggap berkecuali netral dan beratnya lebih daripada 100 kali jisim proton. Pada masa ini zarah-zarah unsur ini hanya wujud secara teori dan tidak pernah diperhatikan. Para saintis berpendapat bahawa mereka belum menjumpainya kerana mereka sukar menangkapnya. WIMPS tidak berinteraksi dengan banyak perkara - zarah-zarah pemalu melewati badan kita - tetapi CDMS II bertujuan untuk menangkapnya dalam perlanggaran yang jarang berlaku dengan atom dalam alat pengesan buatan khas projek.
"Zarah-zarah ini kebanyakannya melewati Bumi tanpa berselerak," kata Cabrera. "Satu-satunya alasan kita berpeluang melihat kejadian adalah kerana [ada] begitu banyak zarah yang jarang sekali ada yang masuk [ke dalam alat pengesan] dan berselerak."
Pengesan tersembunyi di bawah lapisan bumi di lombong Soudan di Minnesota untuk melindungi mereka dari sinar kosmik dan zarah lain yang mungkin bertembung dengan pengesan dan disalah anggap sebagai bahan gelap. Sebenarnya, separuh pertempuran bagi para saintis yang mengusahakan CDMS II adalah untuk melindungi instrumen mereka semaksimum mungkin dari segala-galanya kecuali WIMPS dan untuk mengembangkan sistem yang rumit untuk membezakan perbezaan antara zat gelap dan lebih banyak zarah biasa.
"Pengesan kami adalah benda berbentuk hoki yang perlu hidup pada 50 ribu darjah di atas sifar mutlak," kata Walter Ogburn, seorang pelajar siswazah di Stanford yang mengusahakan projek itu. "Sukar untuk membuat perkara yang sejuk."
Untuk itu, instrumen-instrumen tersebut terletak di dalam tabung yang disebut kotak es, dilapisi dengan enam lapisan penebat, dari suhu bilik di luar hingga paling dingin di dalam. Ini menjadikan pengesan begitu sejuk sehingga atom tidak dapat menggigil.
Pengesan dibuat daripada kristal silikon pepejal dan germanium pepejal. Atom silikon atau germanium diam dalam kisi yang sempurna. Sekiranya WIMPS menabrak mereka, mereka akan bergoyang-goyang dan mengeluarkan sebungkus kecil panas yang disebut fonon. Apabila fonon naik ke permukaan pengesan, mereka membuat perubahan pada lapisan tungsten yang sangat sensitif, yang dapat direkodkan oleh penyelidik. Litar kedua di sisi lain pengesan mengukur ion, zarah bermuatan yang akan dilepaskan dari perlanggaran WIMP dan atom di dalam pengesan.
"Kedua saluran itu membolehkan kita membezakan pelbagai jenis interaksi," kata Ogburn. "Beberapa perkara membuat lebih banyak pengionan dan beberapa perkara menjadi kurang, jadi anda dapat membezakannya dengan cara itu."
Ia memerlukan sekumpulan saintis di pelbagai kemudahan untuk membina alat pengesan. Pasukan ini membeli kristal dari syarikat luar, dan para penyelidik di Pusat Sistem Bersepadu Stanford membuat alat ukur di permukaan pengesan. "Kami menggunakan perkara yang sama untuk membuat ini yang digunakan orang untuk membuat mikropemproses kerana itu juga sangat kecil," kata Matt Pyle, seorang pelajar siswazah lain di makmal Cabrera.
Gumpalan petunjuk
Subset WIMPS, yang disebut neutralinos, adalah zarah paling ringan yang diharapkan oleh supersimetri, teori yang meramalkan pasangan untuk setiap zarah yang telah kita amati. Sekiranya CDMS II berjaya mencari neutralinos, ini akan menjadi bukti pertama untuk supersimetri. "Supersimetri menunjukkan terdapat banyak sektor lain di luar sana iaitu partikel yang menjadi rakan kepada zarah-zarah kita yang ada," kata Cabrera. "Terdapat banyak cara di mana supersimetri kelihatan sangat mungkin. Tetapi belum ada bukti langsung untuk pasangan zarah [supersimetri] yang sepadan. "
Interaksi WIMPS yang lemah adalah mengapa, walaupun zarah-zarah zat gelap mempunyai jisim dan mematuhi undang-undang graviti, mereka tidak bergabung dengan galaksi dan bintang seperti bahan biasa. Untuk menggumpal, zarah-zarah mesti terhempas dan bersatu. Tetapi WIMPS paling kerap terbang tepat antara satu sama lain. Selain itu, kerana WIMPS bersifat neutral, mereka tidak membentuk atom, yang memerlukan daya tarikan proton bermuatan positif kepada elektron bermuatan negatif.
"Bahan gelap meresap segalanya," kata Cabrera. "Itu tidak pernah runtuh seperti atom."
Oleh kerana materi gelap tidak pernah membentuk bintang dan benda-benda surgawi lain yang tidak asing lagi, sejak sekian lama para saintis tidak pernah mengetahui bahawa ia berada di sana. Petunjuk awal keberadaannya muncul pada tahun 1930-an ketika Fritz Zwicky, ahli astronomi Swiss-Amerika, mengamati sekumpulan galaksi. Dia menambah banyak galaksi dan menyedari bahawa tidak ada jisim yang cukup untuk menjelaskan graviti yang mesti ada untuk menyatukan kelompok. Sesuatu yang lain mesti memberikan jumlah yang hilang, dia menyimpulkan.
Kemudian pada tahun 1970-an, Vera Rubin, ahli astronomi Amerika, mengukur kelajuan bintang di Bima Sakti dan galaksi lain yang berdekatan. Ketika dia melihat lebih jauh ke arah tepi galaksi ini, dia mendapati bahawa bintang-bintang tidak berputar lebih perlahan seperti yang diharapkan para saintis. "Itu tidak masuk akal," kata Cabrera. "Satu-satunya cara anda dapat memahaminya adalah jika ada lebih banyak massa di sana daripada apa yang anda lihat di bawah cahaya bintang."
Selama bertahun-tahun, semakin banyak bukti untuk bahan gelap telah menumpuk. Walaupun saintis belum mengetahui apa itu, mereka mempunyai idea yang lebih baik di mana ia berada dan berapa banyak yang seharusnya ada. "Ada sedikit ruang goyangan yang tersisa kerana mempunyai jumlah yang berbeza," kata Cabrera.
"Kami belum melihat apa-apa yang kelihatan seperti isyarat menarik hingga kini," katanya. Tetapi penyelidik CDMS II meneruskan pencarian. Begitu juga dengan kumpulan lain. ZEPLIN, eksperimen yang dijalankan oleh ahli fizik di University of California-Los Angeles dan United Kingdom Dark Matter Collaboration, bertujuan untuk menangkap WIMP dalam tong cecair xenon di sebuah lombong berhampiran Sheffield, England. Dan di Kutub Selatan, projek University of Wisconsin-Madison yang disebut IceCube sedang dalam pembinaan yang akan menggunakan sensor optik yang terkubur jauh di dalam ais untuk mencari neutrino, zarah bertenaga tinggi yang menjadi tanda tangan pemusnahan WIMP.
Sementara itu, CDMS II terus berkembang. Penyelidiknya membina pengesan yang lebih besar dan lebih besar untuk meningkatkan peluang mereka mencari WIMPS. Di masa depan, pasukan berharap dapat membina alat pengesan 1 tan yang seharusnya dapat menemui banyak jenis WIMPS yang paling mungkin, jika ada. "Kami mengambil data sekarang dengan jisim germanium lebih dari dua kali lebih banyak daripada yang sebelumnya, jadi kami pasti menjelajahi wilayah baru sekarang," kata Ogburn. "Tetapi ada banyak lagi yang perlu dilindungi."
Sumber Asal: Siaran Berita Stanford
