Badania nad ciemną materią z wykorzystaniem teleskopu neutrinowego Super-Kamiokande

Naukowcy spodziewają się, że Wszechświat – w tym także nasza Galaktyka – składa się w większości z nieznanej nam jeszcze ciemnej materii. Próbę wykrycia jej śladów podjął m.in. eksperyment neutrinowy Super-Kamiokande prowadzony z udziałem polskich naukowców. Dr Piotr Mijakowski (NCBJ) tłumaczy czego i jak szukamy oraz co wynika z negatywnego wyniku dotychczasowych poszukiwań. Autor jest jednym z 12 adiunktów NCBJ wyróżnionych w instytucie pod koniec 2020 r. za swoje badania.

Zobacz też: Naukowcy NCBJ badają tajemnice powstania wszechświata.

Badania dotyczące ciemnej materii

Współczesne obserwacje i modele kosmologiczne sugerują, że tylko ok. 5% masy i energii zawartej we Wszechświecie to znana nam dotychczas materia (tzw. materia barionowa). Spodziewane jest, że pozostałe jego składniki występują zarówno w formie nieznanego rodzaju cząstek, tzw. ciemna materia (27% bilansu), oraz energii wypełniającej przestrzeń - tzw. ciemna energia (68%). Poznanie natury tych tajemniczych składników stanowi jedną z największych obecnie zagadek stojących przed fizyką i kosmologią.

W niedawno opublikowanych badaniach (https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.102.072002) poszukiwaliśmy dowodów istnienia cząstek ciemnej materii w naszej Galaktyce. Wykorzystaliśmy do tego znajdujący się w Japonii teleskop neutrinowy Super-Kamiokande. Jest to niezwykła infrastruktura badawcza - znajdujący się kilometr pod ziemią w starej kopalni zbiornik zawiera ok. 50 tysięcy ton ultraczystej wody i ma wielkość ok. 10 piętrowego budynku mieszkalnego. Teleskop ten jest zoptymalizowany do rejestracji oddziaływań neutrin produkowanych zarówno w znanych nam dotychczas źródłach jak np. Słońce, czy atmosfera ziemska, jak i być może w źródłach jeszcze nieodkrytych.

Spodziewamy się, że poszukiwane przez nas cząstki ciemnej materii powinny odpowiadać za minimum 90% masy zawartej w galaktykach takich jak nasza, oraz że mogą one ze sobą anihilować, produkując w wyniku tego procesu znane nam cząstki z tzw. Modelu Standardowego, w tym neutrina. Przy pomocy zaawansowanych symulacji komputerowych stworzyliśmy szereg przewidywań jakie byłyby rozkłady energii oraz kierunku przylotu neutrin wyprodukowanych w wyniku anihilacji ciemnej materii w centrum oraz w halo Drogi Mlecznej widziane w naszym teleskopie. Następnie, wykorzystując metody statystyczne, sprawdziliśmy czy rejestrowane przez Super-Kamiokande od 1996 roku oddziaływania neutrin zawierają jakiś wkład od neutrin z anihilacji ciemnej materii, biorąc pod uwagę wszystkie znane nam ich inne źródła. Nie zaobserwowaliśmy nadwyżki takiego potencjalnego sygnału ponad tło i dzięki temu mogliśmy wprowadzić ograniczenia na pewne własności cząstek ciemnej materii. Dla szerokiego zakresu ich spodziewanych mas są to w tej chwili najsilniejsze ograniczenia pochodzące z obserwacji teleskopów neutrinowych.

Doświadczenie zdobyte w dotychczasowych pracach pozwoliło na rozszerzenie tych studiów i wyznaczenie również przewidywań czułości na odkrycie cząstek ciemnej materii w obecnie powstających teleskopach neutrin nowej generacji takich jak Hyper-Kamiokande oraz KM3NeT.

Prace były wspierane przez Narodowe Centrum Nauki, projekt SONATA-BIS nr. 2015/18/E/ST2/00758.

Dr Piotr Mijakowski, Zakład Fizyki Wielkich Energii NCBJ

ip

fot. Philippe Donn z Pexels