Lietuvių fizikė prisidėjo prie visam pasauliui svarbaus tyrimo: tai gali priartinti prie atsakymo, kas yra tamsioji materija

Atrodo, kad mūsų Visatoje esančioms galaktikoms pavyksta kai kas neįmanomo – jos sukasi tokiu greičiu, jog matomos materijos sukuriama gravitacija negalėtų jų sulaikyti, todėl jos jau seniausiai turėjo būti išsiskyrusios. Štai kodėl mokslininkai mano, kad čia veikia kažkas, ko mes nematome, ko dar tiesiogiai neaptikome. Tai suteikia galaktikoms papildomos masės, kuri sukuria papildomą gravitaciją, reikalingą tam, kad šios išliktų sveikos. Ši keista, nežinoma ir nepažįstama materija buvo pavadinta tamsiąja – nes jos negalime matyti.

Apie Visatą jau šį tą žinome, tačiau didžioji jos dalis viso pasaulio astrofizikams – praktiškai neįmenama paslaptis. Skaičiuojama, kad įprastinė materija, kaip kad dangaus kūnai, sudaro mažiau nei 5 proc. Visatos, 68 proc. – tamsioji energija, o 27 proc. – tamsioji materija. Kitaip tariant, beveik apie visą Visatą mes neturime jokio supratimo.

Mokslininkai iki šiol nėra radę tiesioginių nematomos tamsiosios materijos įrodymų, niekas nežino, kaip ji galėtų atrodyti, tačiau yra keli būdai, kaip būtų galima jos ieškoti. Viena iš teorijų teigia, jog tamsiosios materijos dalelės galėtų susidurti ir anihiliuoti viena kitą, kad susidarytų kosminiai spinduliai, kurie pasklistų po visą mūsų galaktiką – panašiai, kaip tai daro kosminiai spinduliai, susidūrę su tarpžvaigždine terpe.

Šią teoriją netrukus bus galima patikrinti atlikus tyrimus, kurie atliekami pasitelkiant ALICE (A Large Ion Collider Experiment) – vieną iš kelių CERN Didžiojo hadronų greitintuvo (LHC) detektorių eksperimentų. ALICE yra optimizuotas tirti branduolių susidūrimų, vykstančių labai artimu šviesos greičiui, rezultatus. Remiantis naujais ALICE kolaboracijos tyrimais, specialūs prietaisai galėtų aptikti antihelio-3 branduolius (He3 priešingybę antimaterijai), kai jie pasiekia Žemės atmosferą, ir taip įrodyti tamsiosios materijos egzistavimą.

Pateko į prestižinį „Nature Physics“ žurnalą

Viena iš ALICE eksperimento narių, lietuvių mokslininkė Laura Šerkšnytė, portalui LRT.lt aiškino, jog vienos iš tamsiosios materijos dalelių kandidačių yra silpnai sąveikaujančios masyvios dalelės, kurios gali anihiliuoti ir „gaminti“ normalios materijos daleles ir antidaleles.

Tokiame procese galėtų būti „gaminami“ ir antideuteronai bei antihelio branduoliai. Jie būtų „gaminami“ visoje mūsų Paukščių Tako galaktikoje, kur judėdami galaktiniuose magnetiniuose laukuose galėtų pasiekti Žemę ir būti matuojami kaip kosminiai spinduliai.

„Tokius matavimus atlieka ar planuoja atlikti keli eksperimentai, pavyzdžiui, vadinamasis antarktinis baliono eksperimentas GAPS ir Tarptautinėje kosminėje stotyje (TKS) įmontuotas AMS-02 eksperimentas.

Tokie matavimai turėtų ne tik signalo komponentę iš tamsiosios materijos dalelių anihiliacijos, tačiau ir foninę (background) komponentę, nes antideuteronai ir antihelis gali būti „pagaminti“ ir kosminių spindulių, tokių kaip protonai, susidūrimų su dujomis metu. Pavyzdžiui, susiduriant su vandeniliu tarpžvaigždinėje terpėje.

Tačiau tokio proceso metu „pagaminti“ antibranduoliai yra daug greitesni nei antibranduoliai iš tamsiosios materijos anihiliacijos. Todėl mažos energijos (lėti) antibranduoliai gali būti naudojami kaip tamsiosios materijos netiesioginis signalas“, – dėstė mokslininkė.

Kartu su kitais mokslininkais L. Šerkšnytė atliko ALICE surinktų duomenų analizę. Parengtą straipsnį publikavo prestižinis fizikos mokslų žurnalas „Nature Physics“.

Anot fizikės, paskelbta analizė yra susijusi su antihelio kosminiais spinduliais. Kol kas nėra jokių oficialių antihelio kosminių spindulių matavimo duomenų, tačiau kai bus gauti atitinkamų eksperimentų rezultatai, būtinai reikės tikslių skaičiavimų norint suprasti, ar tai signalas iš tamsiosios materijos anihiliacijos.

„Tokiems skaičiavimams svarbu žinoti, ar antihelis gali sklisti mūsų galaktikoje neišnykdamas, kai sąveikauja su dujomis tarpžvaigždinėje medžiagoje“, – sakė L. Šerkšnytė.

Vienas didžiausių iššūkių – tarpdisciplininis darbas

Kaip LRT.lt pasakojo fizikė, komanda, sudaryta iš mokslininkų, dirbančių Miuncheno techniniame universitete (TUM), kuriame dirba ir pati L. Šerkšnytė, bei CERN mokslininkų, pamatavo antihelio išnykimo tikimybę sąveikaujant su normalia materija ALICE detektoriuje. Detektoriaus medžiaga buvo panaudota kaip taikinys. Tai – pirmasis antihelio išnykimo tikimybės matavimas.

„Mes nesustojome ties juo ir iš tiesų atlikome antihelio kosminių spindulių skaičiavimus. Atlikti skaičiavimai leido mums sužinoti, kad mūsų galaktika yra ganėtinai skaidri antihelio kosminiams spinduliams, ir jie iš tiesų galėtų pasiekti detektorius, pavyzdžiui, esančius ant TKS.

Apie 50 proc. antihelio kosminių spindulių, „pagamintų“ tamsiosios materijos anihiliacijos metu ir keliaujančių link Žemės, galėtų ją pasiekti neišnykę. Apie 25-90 proc. antihelio branduolių iš įprastų procesų tarpžvaigždinėje medžiagoje, priklausomai nuo jų energijos, galėtų pasiekti Žemę“, – aiškino fizikė L. Šerkšnytė.

Kaip įvardijo pašnekovė, „Nature Physics“ straipsnyje publikuoti duomenys – keturių skirtingų analizių kombinacija. Visos analizės turėjo savo iššūkių, tačiau mokslininkė patikino, kad didžiausias jų – tarpdisciplininė darbo kilmė.

„Aš dirbau prie kosminių spindulių skaičiavimų, kurie buvo atlikti naudojant kompiuterinių programas. Visas projektas užtruko kelerius metus, daug laiko truko ir straipsnio paruošimas spausdinimui, nes ALICE, kaip ir visi kiti LHC eksperimentai, turi sudėtingą publikavimo procesą, kurio metu skirtingi institutai turi peržiūrėti straipsnį, o jo autoriai turi jį atnaujinti pagal komentarus ir tada procesas kartojamas keletą kartų.

Iš tiesų, visas procesas buvo įdomus – nuo idėjos aptarimo kelių žmonių rate iki galutinio rezultato. Kadangi darbas yra tikrai tarpdisciplininis, turėjome bendrauti su daug pasaulinio lygio ekspertų iš visos planetos, išmokome labai daug. Man asmeniškai visada įdomiausia dalis projektuose yra naujų dalykų mokymasis ir galutinis rezultatas“, – sakė mokslininkė.

Savo darbu stengiasi rasti atsakymus į dar neatsakytus klausimus

Į ALICE eksperimentą L. Šerkšnytė tvirtino pakliuvusi atsitiktinai. Vilniaus universitete baigusi taikomosios fizikos bakalaurą, ji išvyko studijuoti fizikos magistrantūros į Vokietiją, o baigiamajam darbui pasirinko temą, susijusią su kosminių spindulių detektoriais ir neuroniniais tinklais.

„Pačioje darbo pradžioje tapo aišku, kad pirma turime daugiau suprasti apie antiprotonų kosminius spindulius ir dėl to pakeitėme darbo temą. Po kelių mėnesių mano vadovė pasiūlė doktorantūros poziciją jos grupėje, ALICE eksperimente“, – teigė mokslininkė.

Šiuo metu ji yra TUM doktorantė Vokietijoje, dažnai tenka keliauti į CERN. Magistro metu įgytos žinios pasitarnavo ir analizėje, publikuotoje „Nature Physics“ – tai viena iš L. Šerkšnytės doktorantūros temų.

„ALICE eksperimente studijavau ir visiškai kitokią temą, susijusią su fundamentaliųjų saveikų matavimu tarp trijų hadronų, pavyzdžiui, trijų protonų. Iš tiesų, studijuoti dalelių ir branduolinę fiziką buvo mano svajonė dar mokyklos laikais. Džiaugiuosi, kad vingiuotu keliu pavyko tai pasiekti. Mane nuo vaikystės domino, kaip veikia pasaulis. Gavusi atsakymą į dominantį klausimą, turiu dešimt naujų. Savo darbu galiu prisidėti ieškant atsakymų į dar neatsakytus klausimus“, – LRT.lt dalinosi mokslininkė.

Šiuo metu L. Šerkšnytė dirba su keliais skirtingais projektais ir eksperimentais. Pagrindinis projektas yra susijęs su fundamentaliųjų sąveikų matavimu tarp trijų hadronų.

„Doktorantūros metu analizavau ALICE duomenis, surinktus antrojo LHC paleidimo periodo (Run 2) metu. Aptikome įdomios fizikos užuominų, tačiau procesai, kuriais domimės, yra reti ir reikalauja labai daug duomenų. Praėjusiais metais įvyko trečiasis LHC paleidimas (Run 3), kurio metu bus užregistruota daug daugiau duomenų. Dėl to šiais metais tęsime savo darbą analizuodami naujus duomenis.

Norėdama, kad būtų išsaugoti visi dalelių susidūrimai, kurie yra įdomūs mūsų moksliniame darbe, taip pat turėjau sukurti specialų trigerį, kuris pateikia informaciją, ar po susidūrimo buvo aptikti trys norimi hadronai. Užregistruotų duomenų analizė prasidės jau po kelių mėnesių. Gauti rezultatai padės geriau suprasti, iš ko yra sudaryti neutroninių žvaigždžių branduoliai! Tačiau šiuo metu didžiausias mano dėmesys yra skirtas baigiamajam doktorantūros darbui, kurį tikiuosi apsiginti pavasarį“, – kalbėjo L. Šerkšnytė ir patikino, jog ateityje savo mokslinę karjerą ir toliau planuoja tęsti fizikoje.