Laboratorium głęboko pod ziemią. Naukowcy zbadają tajemnice ciemnej materii

Stawell Underground Physics Laboratory (SUPL) to laboratorium znajdujące się na głębokości ok. 1 km w kopalni złota Stawell, położonej w miejscowości Stawell w stanie Wiktoria w Australii. Laboratorium SUPL, zbudowane w 2022 r., jest pierwszym takim obiektem na południowej półkuli.

SUPL przeszło właśnie ważny test, który potwierdził, że poziom promieniowania kosmicznego (głównie mionów) głęboko pod ziemią jest wystarczająco niski, by można było rozpocząć zaawansowane poszukiwania ciemnej materii.

Naukowcy z ARC Center of Excellence for Dark Matter Particle Physics mierzyli miony w SUPL przez ponad rok i odkryli, że w podziemnym laboratorium wykryto jedynie 30 000 mionów, podczas gdy na powierzchni byłoby ich ok. 8,4 mld.

- W ciągu roku zmierzyliśmy tempo emisji mionów w atmosferze w wyniku oddziaływań promieniowania kosmicznego - powiedział prof. Urquijo. - Przeprowadziliśmy bardzo precyzyjne symulacje oczekiwanego tempa emisji mionów, wykorzystując szczegółowe mapy konstrukcji tuneli kopalni złota Stawell oraz wiedzę o strukturze skał w tym miejscu.

Poziom promieniowania kosmicznego w SUPL jest więc ekstremalnie niski i zgodny z symulacjami, a system antymionowy działa poprawnie.

Dzięki najnowszym testom udowodniono, że warunki w SUPL spełniają światowe standardy - a to kluczowy krok w stronę rozpoczęcia detekcji ciemnej materii. Kierownik projektu, profesor Phillip Urquijo z Uniwersytetu w Melbourne, powiedział, że badania te były ważnym kamieniem milowym.

Laboratorium jest tym samym gotowe na ultraczułe eksperymenty, takie jak SABRE South. Jest to to projekt mający na celu bezpośrednią detekcję ciemnej materii, w którym wykorzystuje się detektor składający się z dużego stalowego zbiornika zawierającego siedem kryształów jodku sodu o najwyższej czystości, zanurzonych w ciekłym scyntylatorze. Celem badania będzie poszukiwanie cząstek WIMP (cząstek o dużej masie i słabym oddziaływaniu), które są jednym z potencjalnych rodzajów cząstek ciemnej materii.

Eksperyment ten jest odpowiednikiem podobnego testu przeprowadzonego we Włoszech, o nazwie DAMA/LIBRA. Podczas jego trwania notowano sygnały, które zdaniem naukowców mogą pochodzić od ciemnej materii.

Powtarzając ten eksperyment na półkuli południowej, naukowcy mogą uwzględnić wahania sezonowe i zweryfikować, czy sygnały zarejestrowane we Włoszech faktycznie pochodziły od ciemnej materii.

Kolejne kroki dostarczą dalszych informacji na temat środowiska w podziemnym laboratorium, aby przygotować się do eksperymentów. Badacze zintegrują zdobytą wiedzę bezpośrednio z działaniem SABRE South w miarę zbliżania się do pełnego gromadzenia danych.

Eksperyment SABRE South dotyczący ciemnej materii rozpocznie zbieranie informacji w podziemiach SUPL jeszcze w 2026 roku. Szczegóły na temat przygotowań laboratorium i najnowszych ustaleń naukowcy opublikowali na łamach "Astroparticle Physics". W nadchodzącej dekadzie SUPL stanie się także gospodarzem kilku innych eksperymentów fizyki cząstek elementarnych poświęconych wykrywaniu rzadkich zdarzeń.