Nauka

Kluczowy dowód

W tajemniczych historiach, główny podejrzany prawie zawsze zostaje uniewinniony przed końcem książki. Zazwyczaj dlatego, że kluczowy dowód okazał się błędny.

W nauce, kluczowe dowody powinny być prawidłowe. Ale czasami tak nie jest. W zagadce niewidocznej „ciemnej materii” w kosmosie, dowody wskazujące na jednego głównego podejrzanego zostały teraz bezpośrednio obalone. WIMP-y, maleńkie cząstki powszechnie uważane za głównych kandydatów na ciemną materię, nie pojawiły się w eksperymencie zaprojektowanym specjalnie w celu przetestowania jedynego wcześniejszego badania, które miało je wykryć.

Przez dziesięciolecia fizycy zdawali sobie sprawę, że większość materii wszechświata nie przypomina ziemskiej materii, która składa się głównie z protonów i neutronów. Grawitacyjne oddziaływania na materię widzialną (gwiazdy i galaktyki) wskazują, że w kosmosie znajduje się jakaś ciemna materia o nieznanej tożsamości. Zwykła materia stanowi mniej niż 20 procent obfitości materii kosmicznej.

Z niepowiązanych powodów teoretycy od dawna sugerują, że natura posiada tajemnicze rodzaje maleńkich cząstek przewidywanych przez teoretyczny układ matematyczny znany jako supersymetria, lub w skrócie SUSY. Cząstki te byłyby masywne jak na standardy subatomowe, ale tylko słabo oddziaływałyby z inną materią i dlatego znane są jako słabo oddziałujące masywne cząstki, czyli WIMP-y.

Spośród wielu możliwych gatunków WIMP-ów, jeden (przypuszczalnie najlżejszy) powinien mieć właściwości niezbędne do wyjaśnienia ciemnej materii zakłócającej ruch gwiazd i galaktyk (SN: 12/27/12). Już w ubiegłym wieku rozpoczęto poszukiwania WIMP-ów w celu wykazania ich istnienia i zidentyfikowania gatunków składających się na ciemną materię.

W 1998 roku, jeden z zespołów badawczych ogłosił pozorny sukces. Eksperyment nazwany DAMA (od DArk MAtter, rozumiecie?), składający się z detektora cząstek zakopanego pod włoskimi Alpami, pozornie wykrył cząstki o właściwościach odpowiadających oczekiwaniom niektórych fizyków co do sygnału ciemnej materii.

Był to trudny do przeprowadzenia eksperyment, opierający się na założeniu, że przestrzeń kosmiczna jest pełna rojów WIMP-ów. Detektor zawierający kawałki jodku sodu powinien dać błysk światła, gdy zostanie trafiony przez WIMP. Ale inne cząstki pochodzące z naturalnych substancji radioaktywnych również wytwarzałyby błyski światła, nawet jeśli WIMP-y są mitem.

Eksperymentatorzy przyjęli więc sprytną sugestię zaproponowaną wcześniej przez fizyków Katherine Freese, Davida Spergela i Andrzeja Drukiera, znaną formalnie jako roczny test modulacji. Ale nazwijmy to po prostu podejściem czerwcowo-grudniowym.

Gdy Ziemia krąży wokół Słońca, Słońce również się porusza, podróżując wokół galaktyki Drogi Mlecznej, niesione przez spiralne ramię w kierunku gwiazdozbioru Cygnus. Jeśli galaktyka naprawdę jest pełna WIMP-ów, Słońce powinno nieustannie je przeorać, generując „wiatr WIMP-owy”. (To jak wiatr, który czujesz, gdy wystawisz głowę przez okno jadącego samochodu). W czerwcu orbita Ziemi porusza ją w tym samym kierunku, co ruch Słońca wokół galaktyki – do wiatru. Ale w grudniu Ziemia porusza się w przeciwnym kierunku, z dala od wiatru. Zatem więcej WIMPów powinno uderzać w Ziemię w czerwcu niż w grudniu. To tak jak sposób, w jaki przednia szyba twojego samochodu rozbija się o więcej kropel deszczu, gdy jedziesz do przodu, niż gdy jedziesz do tyłu.