ใต้ดินลึกในเหมืองทองคำและนิกเกิลที่ถูกทิ้งร้าง ถังของซีนอนเหลวและผลึกซิลิกอนเจอร์เมเนียมจะถูกปรับเพื่อตรวจจับสสารที่มองไม่เห็น
ฤดูใบไม้ผลินี้ ซีนอนเหลว 10 ตันจะถูกสูบเข้าไปในถังที่อยู่ใต้ดินเกือบหนึ่งไมล์ในใจกลางของเหมืองทองคำเก่าในเซาท์ดาโคตา ด้วยถังเคมีขนาดยักษ์นี้ นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะสามารถตรวจพบสารลึกลับที่ไม่เคยตรวจพบในอดีต ซึ่งเป็นสสารลึกลับที่มีมวลมากกว่า 85 เปอร์เซ็นต์ของมวลทั้งหมดในจักรวาลของเรา นั่นคือ สสารมืด “หนึ่งในคุณสมบัติที่น่ารำคาญของสสารมืดคือเราไม่รู้จริงๆ [มันคืออะไร]” Murdock Gilchriese ผู้อำนวยการโครงการของการทดลองนี้หรือที่รู้จักในชื่อLUX-ZEPLIN (LZ)กล่าว “เรารู้ว่ามันมีอยู่จริง แต่ในฐานะที่เป็นอนุภาคและมวลของมันคืออะไร มันมีช่วงที่กว้างมาก”
LZ เป็นหนึ่งในสามการทดลองหลักที่ได้รับทุนสนับสนุนจาก DOE และ NSF ซึ่งมีเป้าหมายเพื่อตรวจจับสสารมืดโดยตรง ซึ่งเป็นเป้าหมายที่ยั่วเย้านักวิทยาศาสตร์มากว่าสามสิบปี ในขณะที่การทดลองในอดีต เช่น LUX ซึ่งเป็นบรรพบุรุษของ LZ นั้นล้มเหลว แต่โครงการรุ่นต่อไปนี้หวังว่าจะจัดการกับความท้าทายโดยใช้ระบบที่มีขนาดและความไวที่ไม่เคยมีมาก่อน
“คุณสามารถพูดได้ว่าพวกเราเก่งที่สุดในโลกที่ไม่พบอะไรเลย ฉันหมายถึง มีคนพูดแบบนั้น และจนถึงตอนนี้ มันเป็นเรื่องจริง” Gilchriese กล่าว “เป็นไปได้มากที่ผู้คนใช้เวลามากกว่าสิบปีและเราไม่พบอะไรเลย”
แนวคิดเรื่องสสารมืดเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1930 เมื่อนักดาราศาสตร์ฟริตซ์ ซวิคกีติดตามความเร็วของกาแลคซีมากกว่า 1,000 แห่งที่กระจุกตัวเข้าด้วยกัน และสังเกตว่าแรงดึงโน้มถ่วงจากสสารที่มองเห็นเพียงอย่างเดียวไม่แรงพอที่จะทำให้กระจุกกระจุกแยกจากกัน เขาตั้งข้อสังเกตว่าต้องมีสสารที่เรามองไม่เห็น—สสารมืด—ที่ก่อให้เกิดแรงโน้มถ่วงส่วนใหญ่ที่ยึดทุกอย่างเข้าที่ สี่สิบปีต่อมา นักดาราศาสตร์Vera Rubinและ Kent Ford พบหลักฐานเพิ่มเติมของสสารมืดโดยศึกษาการเคลื่อนที่ของดวงดาวภายในดาราจักรชนิดก้นหอย พวกเขาพบว่าดาวฤกษ์ที่โคจรรอบขอบด้านนอกของดาราจักรเหล่านี้เคลื่อนที่ได้เร็วพอๆ กับที่ใจกลางดาราจักร อาจเป็นเพราะรัศมีของสสารมืดที่ให้แรงดึงดูดเป็นพิเศษ ล่าสุด ภาพถ่ายของกาแลคซีสองแห่งที่ชนกันซึ่งมีชื่อเล่นว่าBullet Clusterได้แสดงเอฟเฟกต์เลนส์โน้มถ่วง ซึ่งเป็นแสงที่โค้งงอเนื่องจากแรงโน้มถ่วงมหาศาล ซึ่งไม่สามารถอธิบายได้ด้วยสสารที่มองเห็นเพียงลำพัง นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าการสังเกตเหล่านี้ชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนถึงการมีอยู่ของสสารมืด แต่สิ่งที่สร้างขึ้นจากสสารนั้นยังคงเป็นปริศนา
นักฟิสิกส์ Priscilla Cushmanโฆษกของการทดลองตรวจจับสสารมืดที่เรียกว่าSuperCDMS SNOLABกล่าวว่า “[สสารมืด] ไม่ได้เป็นเพียงความหวัง—มี [มี] เบาะแสในเรื่องนี้ “เรารู้ว่ามีมากน้อยแค่ไหน เพราะมันมีอิทธิพลมหาศาลจากแรงโน้มถ่วง … มันส่งผลต่อวิวัฒนาการทั้งหมดของจักรวาลของเราตั้งแต่บิ๊กแบงเป็นต้นไป เพราะหากไม่มีอยู่ เราก็จะไม่มีความซุ่มซ่ามอย่างที่เราเห็นในปัจจุบันเมื่อเรามองออกไปที่กระจุกดาราจักร แรงโน้มถ่วงที่เพิ่มขึ้นซึ่งสร้างขึ้นโดยอนุภาคสสารมืดนั้นจำเป็นต่อการสร้างโครงสร้างที่เราเห็นในปัจจุบัน จึงมีหลักฐานมากมาย”
แรงโน้มถ่วงเป็นเพียงหนึ่งในสี่กองกำลังพื้นฐานของธรรมชาติที่มีให้สสารมืดมีปฏิสัมพันธ์ด้วย “เรารู้ว่ามันไม่ได้โต้ตอบทางแม่เหล็กไฟฟ้า นั่นเป็นเหตุผลที่เราเรียกมันว่ามืด ไม่เช่นนั้นเราจะเห็นมัน” คุชแมนกล่าว เธออธิบายว่ามันไม่โต้ตอบผ่านแรงนิวเคลียร์อย่างแรง ซึ่งยึดนิวเคลียสของอะตอมไว้ด้วยกัน “เพราะถ้าอย่างนั้นเราคงตายไปแล้ว” (กล่าวอีกนัยหนึ่ง อะตอมจะไม่เสถียร) ตัวเลือกที่เหลือคือแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ กลไกที่อนุภาคย่อยของอะตอมมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน และวิธีที่อะตอมได้รับการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี ในการค้นหาสสารมืด นักฟิสิกส์อย่าง Cushman พยายามใช้อนุภาคเพื่อโต้ตอบกับสสารปกติผ่านแรงที่อ่อนแอ
การค้นหาสสารมืดก่อให้เกิดสิ่งที่ Cushman เรียกว่า “การทดลองสามขา” ขาแรกคือการตรวจจับทางอ้อม ซึ่งพยายามสังเกตสัญญาณที่มาจากส่วนลึกในจักรวาล เช่น รังสีแกมมา ที่อาจผุดขึ้นมาจากการถูกทำลายล้างหรือการสลายตัวของอนุภาคสสารมืด นักวิทยาศาสตร์ยังพยายามสร้างอนุภาคสสารมืดโดยการชนโปรตอนพลังงานสูงสองตัวเข้าด้วยกันใน Large Hadron Collider โดยเลียนแบบสิ่งที่อาจเกิดขึ้นที่บิกแบงเมื่ออนุภาคเหล่านี้ก่อตัวขึ้น สุดท้าย การทดลองการตรวจจับโดยตรง เช่น LZ และ SuperCDMS หวังว่าอนุภาคสสารมืดจะโต้ตอบกับสสารปกติเป็นครั้งคราวผ่านแรงอ่อน ทำให้เครื่องตรวจจับที่มีความไวสูงตรวจจับพวกมันได้ เนื่องจากไม่ทราบลักษณะของอนุภาคสสารมืดอย่างสมบูรณ์ นักวิจัยที่พยายามตรวจจับสสารมืดโดยตรงจึงจำเป็นต้องเดาอย่างมีการศึกษาเกี่ยวกับมวลที่เครื่องตรวจจับควรมองหา
“ปัญหาทั้งหมดนี้คือคุณกำลังมองหาอะไรบางอย่าง เข็มในกองฟาง” Cushman กล่าว “ในการสร้างเครื่องตรวจจับ คุณต้องตั้งสมมติฐานว่าเข็มมีความแวววาวแค่ไหน และมีขนาดใหญ่แค่ไหน และกองฟางบอกว่าคุณควรเริ่มมองหาที่ไหนก่อน นั่นคือสิ่งที่เราทำเมื่อเราสร้างเครื่องตรวจจับเหล่านี้ เรานึกถึงสถานที่ที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุด และแน่นอนว่าเราอาจคิดผิด เมื่อเวลาผ่านไป และเราไม่พบเข็มที่เราคาดว่าจะพบ เราจึงมองลึกเข้าไปในกองหญ้า”
* * *
สารมืดที่เป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางที่สุดคืออนุภาคขนาดใหญ่ที่มีปฏิสัมพันธ์น้อยหรือ WIMP WIMPs ได้รับความนิยมครั้งแรกหลังจากนักฟิสิกส์ทฤษฎีตั้งข้อสังเกตว่าหากอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์เล็กน้อยซึ่งมีมวลมากกว่าโปรตอนประมาณ 100 เท่าถูกสร้างขึ้นในบิ๊กแบง ความหนาแน่นรวมของพวกมันในวันนี้จะอธิบายสสารมืดโดยประมาณทั้งหมดในจักรวาล ซึ่งเป็นเรื่องบังเอิญที่เรียกว่า “ ปาฏิหาริย์ WIMP”
Cushman กล่าวว่า “เมื่อเอกภพใหญ่ขึ้นและเย็นลง ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอจะทำให้คุณมีความหนาแน่นสัมพัทธ์ที่เราเหลืออยู่” “โมเดล [โมเดล] เป็นเพียงเรื่องบังเอิญ แต่มันเป็นการชี้นำอย่างมาก และนั่นทำให้ทุกคนเริ่มมองหา WIMP เหล่านี้เพราะมันจะสมบูรณ์แบบ”
LZ และ SuperCDMS ได้รับการปรับแต่งเพื่อตรวจจับ WIMP อย่างไรก็ตาม ด้วยช่วงกว้างของมวล WIMP ที่เป็นไปได้ การทดลองทั้งสองจึงใช้แนวทางที่แตกต่างกันอย่างมากเพื่อกำหนดเป้าหมายมาตราส่วนมวลที่แตกต่างกัน
SuperCDMS ซึ่งมีกำหนดจะเริ่มการค้นหาในช่วงปลายปี 2020 จะตรวจสอบมวล WIMP ที่เบาที่สุด ตั้งแต่เศษเสี้ยวของมวลโปรตอนไปจนถึงมวลโปรตอนสิบเท่า ตั้งอยู่ใต้ดิน 6,800 ฟุตภายในเหมืองนิกเกิลในออนแทรีโอ การทดลองครั้งแรกจะใช้หอคอยสี่แห่งซึ่งแต่ละแห่งมีเครื่องตรวจจับหกตัวที่ทำจากผลึกของเจอร์เมเนียมซิลิคอนเพื่อพยายามตรวจจับสสารมืด โรงงานแห่งนี้คาดว่าจะมีหอคอยมากกว่า 30 แห่งในขณะที่การทดลองขยายออกไปในทศวรรษหน้า
หาก WIMP ชนกับเครื่องตรวจจับ การชนกัน (ในทางทฤษฎี) จะรบกวนอิเล็กตรอนทั่วทั้งโครงผลึก ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนมากขึ้นและขยายการชนครั้งแรก สัญญาณที่ขยายนี้จะถูกจับโดยเซ็นเซอร์ซึ่งเตือนนักวิจัยว่าเกิดการชนกัน แม้แต่การรบกวนที่เล็กที่สุดซึ่งนักฟิสิกส์เรียกว่า “เสียง” ก็สามารถรบกวนการทดลองได้โดยการกระตุ้นสัญญาณเท็จ ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงต้องใช้ความระมัดระวังอย่างสุดขั้ว เช่น การทำให้เครื่องตรวจจับเย็นลงให้ต่ำกว่าลบ 450 องศาฟาเรนไฮต์ (เกือบเป็นศูนย์สัมบูรณ์) เพื่อหลีกเลี่ยงการสั่นสะเทือนจากความร้อน และการสร้างเกราะป้องกันที่ป้องกันการรบกวนจากอนุภาครังสีคอสมิกที่กระทบกับดาวเคราะห์จากอวกาศ
“การทำความเข้าใจเบื้องหลัง [เสียง] เป็น … ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่มาก” คุชแมนกล่าว “การคาดคะเนทุกวิถีทางที่คุณสามารถรับสัญญาณสองสามตัวในเครื่องตรวจจับที่คุณไม่ได้ตั้งใจ—[พูด] คุณสร้างเกราะ—ตัวป้องกันเองสร้างพื้นหลัง [เสียง] มากกว่าที่จะถูกกำจัดจากภายนอกหรือไม่? ”
Cushman อธิบายว่าในอีก 10 ปีข้างหน้า SuperCDMS ตั้งเป้าที่จะไวต่อแสงมากจนสามารถตรวจจับนิวตริโนซึ่งเป็นอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าซึ่งมีมวลขนาดเล็กที่แทบจะเข้าใจไม่ได้ซึ่งเกิดจากการสลายของกัมมันตภาพรังสี เช่น ปฏิกิริยานิวเคลียร์ภายในดวงอาทิตย์ เมื่อถึงจุดนั้น การทดลองจะพบกับความท้าทายที่ไม่เคยมีมาก่อนในการปิดกั้นสัญญาณพื้นหลัง เนื่องจากนิวตริโนจะมีลักษณะคล้ายอนุภาคสสารมืดมากกว่าการรบกวนประเภทอื่น
“เนื่องจาก [นิวตริโน] มีมวลเบามาก เรามักจะสันนิษฐานว่าเราไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับพวกมันเพราะเราไม่ไวต่อการมองเห็น” คุชแมนกล่าว การทดลองก่อนหน้านี้มองหาอนุภาคสสารมืดในบริเวณที่มีมวลสูงซึ่งการรบกวนจากนิวตริโนสามารถละเลยได้ “แต่ตอนนี้เราเริ่มอ่อนไหวมากพอแล้ว เรากำลังจะกลายเป็นเครื่องตรวจจับนิวตริโน ถ้าคุณต้องการ”
ที่ปลายอีกด้านของช่วง WIMP ที่เป็นไปได้ LZ จะกำหนดเป้าหมายอนุภาคที่หนักกว่าด้วยมวลระหว่างโปรตอนสองสามตัวไปจนถึงโปรตอนหลายหมื่นตัว การทดลองประกอบด้วยซีนอนเหลว 10 ตัน (เกือบหนึ่งในสี่ของอุปทานประจำปีของโลก) ล้อมรอบด้วยตุ๊กตาป้องกันรัสเซีย ซึ่งเป็นภาชนะไททาเนียมที่มีซีนอนวางอยู่ภายในภาชนะที่สองซึ่งบรรจุของเหลวที่ดูดซับรังสีแกมมา ทั้งหมดนี้อยู่ในภาชนะอื่น บรรจุน้ำ 70,000 แกลลอน
“หวังว่าเมื่ออนุภาคสสารมืดทำปฏิกิริยากับซีนอน มันจะสร้างทั้งแสงและประจุไฟฟ้า” Gilchriese กล่าว นักวิจัยตรวจพบการระเบิดครั้งแรกของแสง จากนั้นประจุไฟฟ้าจะลอยขึ้นไปสูงกว่าหนึ่งเมตร โดยที่เซ็นเซอร์ 500 ตัวตรวจจับได้ ข้อมูลจากสัญญาณทั้งสองนี้จะช่วยให้นักวิจัยสามารถคำนวณทั้งพลังงานและตำแหน่งของการชนกันครั้งแรกได้ การระบุตำแหน่งที่เกิดการชนกันเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากจะเผยให้เห็นว่าสัญญาณที่เกิดจากการรบกวนภายนอกภาชนะ หรือจากการชนกันที่ศูนย์กลางของอ่างซีนอนบริสุทธิ์ ซึ่งนักวิจัยเชื่อว่ามีเพียงอนุภาคสสารมืดเท่านั้นที่จะไปถึงได้
เช่นเดียวกับ SuperCDMS LZ เผชิญกับความท้าทายที่สำคัญในการกำจัดสัญญาณพื้นหลังออกจากกัมมันตภาพรังสี “ความแตกต่างที่ชัดเจนที่สุด [ระหว่าง LZ กับรุ่นก่อน] คือมีซีนอนมากกว่า 30 เท่า แต่การซื้อซีนอนเพิ่มขึ้น 30 เท่านั้นง่าย เพียงแค่ต้องใช้เงิน” Gilchriese กล่าว “จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจว่าแหล่งกำเนิดกัมมันตภาพรังสีอยู่ที่ใด จากทุกสิ่งที่เข้าสู่การทดลอง และมีชิ้นส่วนหลายพันชิ้น … คุณต้องทำตามขั้นตอนที่ไม่ธรรมดาเพื่อจำกัดการสัมผัสกับอากาศเท่านั้น”
กลุ่มอื่นๆ นอกสหรัฐอเมริกา เช่นโครงการ XENONในอิตาลีและPandaX-IIในประเทศจีน ก็กำลังแข่งกันค้นหา WIMP โดยใช้ Xenon เหลว เมื่อ LZ เปิดขึ้นในช่วงกลางปี 2020 นักวิทยาศาสตร์จากทั่วโลกมักจะกลั้นหายใจเพื่อรอสัญญาณที่ตรวจพบ
