Fizika përparon drejt enigmës më të madhe të universit

Në peizazhin e gjerë të kozmologjisë bashkëkohore, një nga sfidat më interesante ka të bëjë me natyrën e padukshme të universit.

Rreth 95% e kozmosit përbëhet nga materia e errët dhe energjia e errët, përbërës që nuk emetojnë, nuk thithin ose nuk reflektojnë dritën, duke i bërë ato praktikisht të pamundura për t’u vëzhguar drejtpërdrejt.

Vetëm një 5% e vogël korrespondon me materien e zakonshme që përbën yjet, planetët dhe gjithçka që mund të shohim. Të kuptuarit e kësaj shumice të fshehur është një qëllim prioritar i fizikës themelore, një enigmë që kërkon teknologji zbulimi gjithnjë e më të sofistikuara dhe të ndjeshme.

Dr. Rupak Mahapatra, një fizikant grimcash eksperimental në Universitetin A&M të Teksasit, është në ballë të këtij hulumtimi. Grupi i tij po zhvillon detektorë gjysmëpërçues të gjeneratës së ardhshme të pajisur me sensorë kuantikë kriogjenikë, instrumente të aftë për të identifikuar ndërveprime aq të rralla sa ndodhin ndoshta një herë në vit, ose edhe një herë në dhjetë vjet. Këto pajisje përfaqësojnë zemrën teknologjike të eksperimenteve ndërkombëtare të dedikuara për gjueti të grimcave që mund të përbëjnë materien e errët.

Metafora e Mahapatrës për gjendjen aktuale të shkencës është e përshtatshme: “Është si të përpiqesh të përshkruash një elefant duke prekur vetëm bishtin e tij. Ne po perceptojmë diçka masive dhe komplekse, por po kapim vetëm një pjesë të vogël.” Rezultatet e punës së tij u botuan së fundmi në revistën Applied Physics Letters, duke demonstruar ndikimin e inovacioneve të tij në fushën e fizikës eksperimentale.

Materia e errët përbën afërsisht 27% të energjisë totale të universit dhe përfaqëson pjesën më të madhe të masës që përmbahet në galaktika dhe grumbuj galaktikash. Prania e saj është thelbësore për të shpjeguar se si këto struktura ruajnë kohezionin e tyre: pa të, galaktikat do të shpërbëheshin për shkak të rrotullimit të tyre të shpejtë. Energjia e errët, nga ana tjetër, përbën plot 68% të energjisë kozmike dhe është përgjegjëse për zgjerimin e përshpejtuar të universit, një fenomen i zbuluar në fund të viteve 1990 që revolucionarizoi kozmologjinë moderne.

Shkencëtarët i studiojnë këto përbërës të padukshëm përmes efekteve të tyre gravitacionale. Materia e errët vepron si një lloj ngjitësi kozmik, duke mbajtur së bashku strukturat në shkallë të gjerë, ndërsa energjia e errët funksionon si një forcë shtytëse, duke bërë që vetë hapësira të zgjerohet me një shpejtësi në rritje. Megjithatë, identifikimi i drejtpërdrejtë i grimcave që mund të përbëjnë materien e errët mbetet një sfidë e madhe teknologjike.

Grupi i Mahapatrës kontribuoi në TESSERACT, një nga eksperimentet kryesore në botë në kërkim të materies së errët. Universiteti A&M i Teksasit është ndër një grup i zgjedhur institucionesh të përfshira në këtë projekt ndërkombëtar. Qasja e ekipit mbështetet në amplifikimin e sinjaleve jashtëzakonisht të zbehta, të fshehura më parë në zhurmën e sfondit, duke përdorur teknika inovative të zbulimit.

Ekspertiza e Mahapatrës është e rrënjosur në SuperCDMS, një eksperiment në të cilin ai ka kontribuar për njëzet e pesë vjet dhe i cili ka kryer disa nga kërkimet më të ndjeshme në botë për lëndën e errët. Në vitin 2014, Mahapatra dhe bashkëpunëtorët e tij publikuan një punim themelor në Physical Review Letters duke futur kalorimetrinë jonizuese të asistuar nga voltazhi në eksperimentin SuperCDMS. Ky inovacion mundësoi studimin e WIMP-ve me masë të ulët (Grimca Masive që Ndërveprojnë Dobët), një nga kandidatët më premtues për të shpjeguar natyrën e materies së errët.

WIMP-të janë grimca hipotetike që bashkëveprojnë vetëm përmes gravitetit dhe forcës së dobët bërthamore, karakteristika që shpjegojnë pse janë kaq të vështira për t’u identifikuar. Ato mund të udhëtojnë nëpër të gjithë Tokën pa lënë gjurmë, duke kërkuar vite të tëra mbledhjeje të dhënash për të identifikuar edhe një ngjarje të vetme. Eksperimente si SuperCDMS dhe TESSERACT përdorin detektorë ultrasensitivë të ftohur në temperatura afër zeros absolute për të kapur këto ndërveprime jashtëzakonisht të rralla me materien e zakonshme.

Në vitin 2022, Mahapatra ishte bashkautor i një studimi që shqyrtonte strategji të shumta për zbulimin e WIMP-ve, duke përfshirë zbulimin direkt, zbulimin indirekt dhe kërkimet duke përdorur përplasës grimcash. Puna thekson se asnjë eksperiment i vetëm nuk mund të ofrojë të gjitha përgjigjet, duke theksuar rëndësinë e kombinimit të qasjeve të ndryshme për të krijuar një pamje të plotë/ Tom’s Hardware