Australië zoekt "donkere materie" in diepe goudmijn

Inhoudsopgave:

Australië zoekt "donkere materie" in diepe goudmijn
Australië zoekt "donkere materie" in diepe goudmijn
Anonim

In de diepten van een goudmijn aan de rand van het kleine Victoriaanse stadje Stowell, op een paar uur rijden ten noordwesten van Melbourne, wordt een laboratorium gebouwd om te zoeken naar een van de meest ongrijpbare stoffen in het universum: donkere materie.

Een kilometer onder de grond is het lab nu meer een grot ter grootte van een tennisbaan dan een onderneming van meerdere miljoenen dollars. Dit komt omdat het lab - een samenwerking tussen de Universiteit van Melbourne, ANSTO, Swinburne en anderen - nog in ontwikkeling is. Maar als het lukt, kan het helpen een van de grootste mysteries van de astrofysica op te lossen.

"Dit is een kritieke tijd voor ons", zegt Phillip Urquiho, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Melbourne, een deeltjesfysicus en technisch coördinator voor een experiment met donkere materie genaamd SABRE - Sodium Iodide with Active Background Rejection Experiment.

"Het laboratorium zelf zou in december klaar moeten zijn. We hopen dat we in november een deel van onze experimentele apparatuur kunnen meenemen."

Donkere materie, waarvan wordt aangenomen dat het 85% van de materie in het universum uitmaakt, is niet gemakkelijk te vinden. Het is niet zichtbaar bij een van de golflengten die gewoonlijk worden gebruikt om ruimtevoorwerpen zoals gas en stof te detecteren. Bovendien lijkt het erop dat het helemaal geen interactie heeft met elektromagnetische krachten - wat betekent dat het geen licht absorbeert, reflecteert of uitstraalt.

Wetenschappers weten alleen van het bestaan ervan af omdat sterren, sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels een te sterke aantrekkingskracht uitoefenen zonder enige aanvullende verklaring, bijvoorbeeld dat er ergens een stapel donkere materie verborgen is.

"Als we het kunnen vinden, is het een gegarandeerde Nobelprijs", zegt ANSTO's senior adviseur voor strategische projecten, Dr. Richard Garrett. "Het is als [zwaartekrachtsgolven. Dit is iets anders dat 30-40 jaar zocht, totdat deze enorme experimenten (in het bijzonder het Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory) het uiteindelijk niet vonden."

Maar de zoektocht naar donkere materie is tot nu toe niet succesvol geweest. Nog altijd.

Onder onze neus

Onderzoekers proberen op verschillende manieren donkere materie op aarde te detecteren.

De eerste manier is om donkere materie te vangen die vervalt tot iets dat we kunnen detecteren, zoals gammastralen of paren van deeltjes en antideeltjes. Helaas is donkere materie niet het enige astronomische proces dat ze produceert, wat een extra laag complexiteit aan het proces toevoegt.

Er zijn detectoren zoals SABRE die de terugslag proberen te detecteren van hypothetische donkere materiedeeltjes, zwak interagerende massieve deeltjes of WIMPS genoemd, uit bronnen diep onder de grond.

Image
Image

Maar elke detector die tot nu toe is gebouwd, heeft alleen signalen gedetecteerd die aan een andere oorzaak kunnen worden toegeschreven. Donkere materie blijft onbegrijpelijk.

Met één uitzondering. De afgelopen 25 jaar heeft een detector genaamd DAMA / LIBRA in de Laboratori Nazionali del Gran Sasso bij L'Aquila in het noordoosten van Italië een jaarlijks patroon vastgesteld in het aantal geregistreerde signalen. Dit wordt het 'jaarlijkse modulatie-effect' genoemd en kan worden veroorzaakt doordat de aarde in en uit de halo van donkere materie van onze melkweg beweegt.

"Gedurende deze 25 jaar hebben [DAMA / LIBRA]-gegevens aangetoond dat het dit jaarlijkse modulatie-effect heeft met een extreem, extreem hoog niveau van vertrouwen", zegt Urquijo."Door hun onderzoek en onafhankelijke beoordelingen van hun onderzoek konden ze de donkere materie-hypothese niet uitsluiten om het te verklaren."

Het Italiaanse laboratorium was een soort "witte kraai" in de wereld van detectoren, aangezien geen enkele andere detector hun resultaten kon repliceren. Een van de redenen hiervoor is dat het DAMA/LIBRA-team speciale kristallen van natriumjodide heeft gebruikt. Ze waren de meest radio-gereinigde - dat wil zeggen, met een zeer laag niveau van radioactiviteit - ooit gemaakt, en het team heeft dit record nog steeds.

Voor de productie van kristallen wordt natriumjodidepoeder "astrograd" gebruikt - een verbinding met een lage radioactiviteit, maar nog geen kristal. Wanneer onderzoekers een kristal uit een poeder laten groeien, raken meestal radioactieve verontreinigingen uit de omgeving verstrikt in de kristallen, dus er is zeer specifieke apparatuur nodig om de kristallen te groeien en te zuiveren met behoud van een lage radioactiviteit.

"Het is eigenlijk een zeer complex en tijdrovend R&D-proces dat zeer, zeer niche is", zegt Urquijo van Crystals.

Maar DAMA/LIBRA-sceptici geloven niet dat dit komt door de radioactieve zuiverheid van de kristallen. Aangezien dit patroon jaarlijks wordt gedetecteerd, gaan ze ervan uit dat de detector deze signaalverandering alleen meet in combinatie met de veranderende seizoenen.

Dit is waar het feit dat we ons aan de andere kant van de wereld bevinden met tegengestelde seizoenen goed van pas komt.

"Als we hetzelfde effect zien als zij, weten we dat dit geen seizoenseffect is, maar iets van buitenaf", zegt Urquiho. "Kortom, we zullen allebei donkere materie zien."

Zelfs als het geen donkere materie is, zou het nog steeds iets buiten de aarde zijn waar wetenschappers nog geen weet van hebben, wat bijna net zo opwindend zou zijn als het vinden van donkere materie. Maar eerst moeten ze de detector afmaken.

Tot nu toe hebben ze de natriumjodidekristallen nog radiozuiverder gemaakt dan die gebruikt in het DAMA / LIBRA-experiment - een prestatie die een lang proces van onderzoek en ontwikkeling tussen instituten over de hele wereld vereiste.

ANSTO heeft al apparatuur opgesteld om de kleinste stralingsniveaus te testen, en het team test al hun materialen op radioactiviteit en zorgt ervoor dat alles zo laag mogelijk is. Om ons heen zijn er kleine stralingsniveaus - zelfs bananen en mensen zijn bijvoorbeeld licht radioactief. Daarom moet het team deze "normale" radioactiviteit beperken, zodat deze de werking van de detector niet verstoort.

"We hebben alle soorten zand, grind en cementpoeder uit heel Australië gemeten om de beste betonmix voor de bouw te vinden", zegt Garrett.

"We zoeken diep onder de grond naar zeer, zeer zwakke signalen, maar het heeft geen zin om dit te doen als het beton dat we gebruiken radioactief is."

Dan - de locatie. Er zijn veel positieve aspecten aan het werken in een actieve goudmijn. Het mijnbouwbedrijf zorgt voor alle ventilatie- en veiligheidsmanagement. Bovendien kunnen mijnwerkers wetenschappers vervoeren in speciaal uitgeruste mijnwagens door lange, kronkelende tunnels helemaal naar het laboratorium.

Maar deze methode heeft zijn nadelen en problemen. De bouw van het laboratorium liep bijna drie jaar vertraging op toen de mijn van eigenaar wisselde en een tijdje werd gesloten. Bovendien moet de grot om de acht uur worden geleegd, zodat de mijnwerkers op zoek kunnen gaan naar goud.

In de diagrammen ziet de SABRE eruit als een kroonluchter in een vat, ingesloten in een metalen gewelf. De detector zelf is een kroonluchter die aan de bovenkant van het vat hangt en gevuld is met 50 kg kristallen van radiogezuiverd natriumjodide om kleine hints van straling te detecteren.

De chan, die het team Veto noemt, is bezaaid met fotomultiplicatoren (ongelooflijk gevoelige lichtdetectoren) en zal lineaire alkylbenzeen bevatten, een vloeistof die gewoonlijk wordt gebruikt om wasmiddelen te maken, maar in dit geval wordt gebruikt als een "vloeibare scintillator" die met licht zal knipperen wanneer het raakt hem straling. En er is ook een vier meter lange kluis, waarvan zelfs Urquiho kan zeggen dat het een beetje te veel is: de SABRE zal ongeveer 100 ton staal bevatten, dat het experiment beschermt tegen de straling van verdwaalde deeltjes die eventuele metingen kunnen bederven.

"We hadden echte paranoia over de achtergrondstraling", legt Urquijo uit. "Het gebied met de laagste radioactiviteit dat overal op het zuidelijk halfrond te vinden is, bevindt zich precies in het midden van deze kristallen."

Maar nu zijn de onderdelen van de detector nog niet naar de mijn getransporteerd - in plaats daarvan staat een deel van de apparatuur voor het zoeken naar donkere materie op de parkeerplaats.

"De Universiteit van Melbourne heeft niet veel opslagruimte voor apparatuur, dus we gebruiken onze ANSTO-verbinding om de vloeistofscintillator gewoon op de parkeerplaats te plaatsen", zegt Urquijo.

Wanneer de detector eindelijk is geïnstalleerd, hoeft u alleen nog maar op het oppervlak te gaan zitten en te wachten op de resultaten. Maar tot die tijd heeft het team wat te doen.

"Elk materiaal komt naar ons toe en we meten de radioactiviteit om te zien of het goed genoeg is", zegt Garrett.

"Het is een race tegen de klok."

Aanbevolen: