Laboratorium w sercu góry
Lokalizacja w Sanford Underground Research Facility, w dawnej kopalni złota w Lead, nie jest przypadkowa. Głębokość 1500 metrów stanowi naturalną osłonę przed ciągłym bombardowaniem promieniowania kosmicznego, które na powierzchni utrudniałoby rejestrację niezwykle subtelnych sygnałów. To idealne środowisko dla niezwykle czułego instrumentu. Sercem całego przedsięwzięcia jest Detektor LZ, czyli wielka dwufazowa komora wypełniona siedmioma tonami ciekłego ksenonu schłodzonego do bardzo niskiej temperatury. Gdyby hipotetyczna cząstka ciemnej materii, tzw. WIMP, zderzyła się z atomem ksenonu, wywołałaby mikroskopijny błysk światła i drobny impuls elektryczny. Wychwycenie takiego zdarzenia to nie lada wyzwanie, biorąc pod uwagę, iż może ono zachodzić niezwykle rzadko, nawet raz na kilka lat w całej masie detektora.
W prace nad LZ zaangażowanych jest około 250 badaczy z 39 instytucji z całego świata: od Stanów Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii, przez Portugalię, po Koreę Południową oraz Australię. Taka szeroka współpraca jest niezbędna zarówno ze względu na koszty, jak i konieczność połączenia najwyższej klasy ekspertyzy. Pierwsze wyniki, opublikowane w 2021 roku po zaledwie 60 dniach zbierania danych (co stanowiło zaledwie 6% planowanej ekspozycji), były imponujące. Eksperyment osiągnął wówczas światową rekordową czułość w poszukiwaniu WIMP-ów, wykluczając istnienie tych cząstek w szerokim zakresie mas i energii oddziaływań. Obecnie trwa główna faza zbierania danych, która ma potrwać łącznie około 1000 dni. Finalna czułość aparatury ma być nawet 50 razy większa niż w przypadku poprzedniej generacji detektorów.
W poszukiwaniu niewidzialnego
Co daje LZ szansę na sukces tam, gdzie inne próby nie powiodły się? Kluczowy jest dostęp do nowego, wcześniej niezbadanego zakresu parametrów tzw. oddziaływań elektrosłabych, gdzie według części teorii mogą kryć się poszukiwane cząstki. Nawet jeśli nie uda się zaobserwować bezpośredniego sygnału ciemnej materii, każde wykluczenie ma wartość, gdyż zawęża pole poszukiwań i eliminuje kolejne teorie, przybliżając nas do odpowiedzi. Dotychczasowe dane już pomogły lepiej zrozumieć tło promieniowania i zachowanie cząstek w ekstremalnych warunkach.
Czytaj też: Nowy Projekt Manhattan w drodze. Jego celem będzie antymateria
Perspektywa bezpośredniego wykrycia ciemnej materii w ciągu najbliższych kilku lat wciąż elektryzuje środowisko, choć będzie to zadanie niezwykle trudne, niemal jak szukanie igły w stogu siana. Sukces LZ lub podobnego eksperymentu byłby bez wątpienia przełomem na miarę odkrycia bozonu Higgsa, otwierając całkiem nowy rozdział w fizyce fundamentalnej. Póki co, w głębi góry w Dakocie Południowej, detektor nieprzerwanie rejestruje dane, a naukowcy cierpliwie analizują każdy, nawet najsłabszy sygnał, który mógłby być szeptem od niewidzialnego składnika naszego kosmosu.