Kredit gambar: Fermilab
Dengan data pertama dari observatorium bawah tanah mereka di Minnesota Utara, para ilmuwan dari Cryogenic Dark Matter Search telah mengintip dengan sensitivitas yang lebih besar dari sebelumnya ke dalam wilayah yang dicurigai WIMPS. Melihat Partikel Masif Lemah Berinteraksi dapat memecahkan misteri ganda materi gelap pada skala kosmik dan supersimetri pada skala subatomik.
Hasil CDMS II, dijelaskan dalam makalah yang diserahkan ke Physical Review Letters, menunjukkan dengan 90 persen kepastian bahwa tingkat interaksi WIMP dengan massa 60 GeV harus kurang dari 4 x 10-43 cm2 atau sekitar satu interaksi setiap 25 hari per kilogram germanium, bahan dalam detektor percobaan. Hasil ini memberi tahu peneliti lebih dari yang pernah mereka ketahui sebelumnya tentang WIMPS, jika ada. Pengukuran dari detektor CDMS II setidaknya empat kali lebih sensitif daripada pengukuran terbaik sebelumnya yang ditawarkan oleh percobaan EDELWEISS, sebuah eksperimen Eropa bawah tanah di dekat Grenoble, Prancis.
"Pikirkan peningkatan kepekaan ini seperti teleskop baru dengan diameter dua kali lipat dan dengan demikian empat kali koleksi cahaya yang datang sebelumnya," kata juru bicara CDMS II Blas Cabrera dari Universitas Stanford. “Kami sekarang dapat mencari sinyal yang hanya seperempat dari yang kita lihat sebelumnya. Selama beberapa tahun ke depan, kami berharap untuk meningkatkan sensitivitas kami dengan faktor 20 atau lebih. ”
Hasilnya disajikan pada Rapat April American Physical Society pada 3 dan 4 Mei di Denver oleh Harry Nelson dan mahasiswa pascasarjana Joel Sanders, keduanya dari Universitas California-Santa Barbara, dan oleh Gensheng Wang dan Sharmila Kamat dari Case Western Universitas Cadangan.
"Kami tahu bahwa Model Standar kami tentang fisika partikel maupun model kosmos kami tidak lengkap," kata juru bicara CDMS II Bernard Sadoulet dari University of California di Berkeley. “Bagian yang hilang ini tampaknya cocok dengan kedua teka-teki itu. Kami melihat bentuk yang sama dari dua arah yang berbeda. "
WIMPs, yang tidak dikenakan biaya, adalah studi kontradiksi. Sementara fisikawan berharap mereka memiliki sekitar 100 kali massa proton, sifat hantu mereka memungkinkan mereka untuk menyelinap melalui materi biasa meninggalkan jejak. Istilah "interaksi lemah" tidak mengacu pada jumlah energi yang disimpan ketika mereka berinteraksi dengan materi normal, tetapi lebih kepada fakta bahwa mereka berinteraksi sangat jarang. Faktanya, sebanyak seratus miliar WIMP mungkin mengalir di tubuh Anda saat Anda membaca beberapa kalimat pertama ini.
Dengan 48 ilmuwan dari 13 institusi, ditambah 28 staf teknik, teknis, dan administrasi lainnya, CDMS II beroperasi dengan dana dari Kantor Sains Departemen Energi AS, dari Divisi Astronomi dan Fisika dari National Science Foundation dan dari lembaga anggota. Laboratorium Akselerator Nasional Fermi DOE menyediakan manajemen proyek untuk CDMS II.
"Sifat materi gelap adalah dasar bagi pemahaman kita tentang pembentukan dan evolusi alam semesta," kata Dr. Raymond L. Orbach, Direktur Kantor Ilmu Pengetahuan DOE. "Eksperimen ini tidak akan berhasil tanpa kolaborasi aktif dari Kantor Sains DOE dan Yayasan Sains Nasional."
Michael Turner, Asisten Direktur Matematika dan Ilmu Fisika di NSF, menjelaskan mengidentifikasi konstituen materi gelap sebagai salah satu tantangan besar dalam astrofisika dan fisika partikel.
"Materi gelap menyatukan semua struktur di alam semesta - termasuk Bimasakti kita sendiri - dan kita masih tidak tahu dari apa materi gelap itu dibuat," kata Turner. “Hipotesa yang berfungsi adalah bahwa itu adalah bentuk baru dari materi-yang, jika benar akan menjelaskan cara kerja kekuatan-kekuatan dasar dan partikel-partikel. Dalam mengejar solusi untuk teka-teki penting ini, CDMS sekarang menjadi yang terbaik, dengan faktor 20 sensitivitas lainnya masih akan datang. ”
Materi gelap di alam semesta terdeteksi melalui efek gravitasi pada semua skala kosmik, dari pertumbuhan struktur di alam semesta awal hingga stabilitas galaksi saat ini. Data kosmologis dari banyak sumber mengkonfirmasi bahwa materi gelap yang tak terlihat ini berjumlah total lebih dari tujuh kali lipat jumlah materi kasat mata yang membentuk bintang, planet, dan objek lainnya di alam semesta.
"Sesuatu di luar sana membentuk galaksi dan menyatukannya hari ini, dan ia tidak memancarkan atau menyerap cahaya," kata Cabrera. "Massa bintang-bintang di galaksi hanya 10 persen dari massa seluruh galaksi, jadi bintang-bintang itu seperti lampu pohon Natal yang menghiasi ruang tamu sebuah rumah gelap yang besar."
Fisikawan juga percaya WIMPs bisa menjadi partikel subatomik yang belum teramati yang disebut neutralino. Ini akan menjadi bukti untuk teori supersimetri, memperkenalkan fisika baru yang menarik di luar Model Standar partikel dan kekuatan fundamental saat ini.
Supersimetri memprediksi bahwa setiap partikel yang diketahui memiliki mitra supersimetrik dengan sifat-sifat yang saling melengkapi, meskipun tidak ada dari mitra ini yang telah diamati. Namun, banyak model supersimetri memperkirakan bahwa partikel supersimetri paling ringan, yang disebut neutralino, memiliki massa sekitar 100 kali lipat dari proton.
"Para ahli teori menemukan semua yang disebut 'mitra supersimetri' dari partikel-partikel yang diketahui ini untuk menjelaskan masalah pada skala jarak terkecil," kata Dan Akerib dari Case Western Reserve University. "Dalam salah satu koneksi menarik yang sangat besar dan sangat kecil, yang paling ringan dari superpartners ini bisa menjadi bagian yang hilang dari teka-teki untuk menjelaskan apa yang kita amati pada skala jarak yang paling besar."
Tim CDMS II mempraktikkan "astronomi bawah tanah," dengan detektor partikel yang terletak hampir setengah mil di bawah permukaan bumi di bekas tambang besi di Soudan, Minnesota. 2.341 kaki kerak bumi melindungi sinar kosmik dan partikel latar belakang yang dihasilkannya. Detektor terbuat dari germanium dan silikon, kristal semikonduktor dengan sifat serupa. Detektor didinginkan hingga sepersepuluh dari tingkat nol absolut, begitu dingin sehingga gerakan molekul menjadi diabaikan. Detektor secara bersamaan mengukur muatan dan getaran yang dihasilkan oleh interaksi partikel di dalam kristal. WIMPS akan memberi sinyal keberadaan mereka dengan melepaskan muatan lebih sedikit daripada partikel lain untuk jumlah getaran yang sama.
"Detektor kami bertindak seperti teleskop yang dilengkapi dengan filter yang memungkinkan para astronom membedakan satu warna cahaya dari yang lain," kata manajer proyek CDMS II Dan Bauer dari Fermilab. "Hanya saja, dalam kasus kami, kami berusaha menyaring partikel konvensional demi WIMPS materi gelap."
Fisikawan Earl Peterson dari University Minnesota mengawasi Laboratorium Bawah Tanah Soudan, yang juga merupakan rumah bagi eksperimen neutrino garis-panjang Fermilab, Main Injector Neutrino Oscillation Search.
"Saya senang dengan hasil baru yang signifikan dari CDMS II, dan saya mengucapkan selamat atas kolaborasi ini," kata Peterson. “Saya senang bahwa fasilitas Laboratorium Soudan berkontribusi pada keberhasilan CDMS II. Dan saya sangat senang bahwa karya Fermilab dan University of Minnesota dalam memperluas Laboratorium Soudan telah menghasilkan fisika baru yang luar biasa. "
Saat CDSMII mencari WIMP selama beberapa tahun ke depan, materi gelap alam semesta kita akan ditemukan, atau sejumlah besar model supersimetrik akan dikecualikan dari kemungkinan. Either way, percobaan CDMS II akan memainkan peran utama dalam memajukan pemahaman kita tentang fisika partikel dan kosmos.
Institusi kolaborasi CDMS II termasuk Brown University, Case Western Reserve University, Fermi National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, National Institutes of Standards and Technology, Princeton University, Santa Clara University, Stanford University, University of California-Berkeley, Universitas California-Santa Barbara, Universitas Colorado di Denver, Universitas Florida, dan Universitas Minnesota.
Fermilab adalah laboratorium nasional DOE Office of Science yang dioperasikan berdasarkan kontrak oleh Universitas Research Association, Inc.
Sumber Asli: Siaran Berita Fermilab
