Współczesne obserwacje i modele kosmologiczne sugerują, że tylko ok. 5% masy i energii zawartej we Wszechświecie to znana nam dotychczas materia (tzw. materia barionowa). Spodziewane jest, że pozostałe jego składniki występują zarówno w formie nieznanego rodzaju cząstek, tzw. ciemna materia (27% bilansu), oraz energii wypełniającej przestrzeń - tzw. ciemna energia (68%). Poznanie natury tych tajemniczych składników stanowi jedną z największych obecnie zagadek stojących przed fizyką i kosmologią.

W niedawno opublikowanych badaniach poszukiwaliśmy dowodów istnienia cząstek ciemnej materii w naszej Galaktyce. Wykorzystaliśmy do tego znajdujący się w Japonii teleskop neutrinowy Super-Kamiokande. Jest to niezwykła infrastruktura badawcza - znajdujący się kilometr pod ziemią w starej kopalni zbiornik zawiera ok. 50 tysięcy ton ultraczystej wody i ma wielkość ok. 10 piętrowego budynku mieszkalnego. Teleskop ten jest zoptymalizowany do rejestracji oddziaływań neutrin produkowanych zarówno w znanych nam dotychczas źródłach jak np. Słońce, czy atmosfera ziemska, jak i być może w źródłach jeszcze nieodkrytych. Spodziewamy się, że poszukiwane przez nas cząstki ciemnej materii powinny odpowiadać za minimum 90% masy zawartej w galaktykach takich jak nasza, oraz że mogą one ze sobą anihilować, produkując w wyniku tego procesu znane nam cząstki z tzw. Modelu Standardowego, w tym neutrina. Przy pomocy zaawansowanych symulacji komputerowych stworzyliśmy szereg przewidywań jakie byłyby rozkłady energii oraz kierunku przylotu neutrin wyprodukowanych w wyniku anihilacji ciemnej materii w centrum oraz w halo Drogi Mlecznej widziane w naszym teleskopie. Następnie, wykorzystując metody statystyczne, sprawdziliśmy czy rejestrowane przez Super-Kamiokande od 1996 roku oddziaływania neutrin zawierają jakiś wkład od neutrin z anihilacji ciemnej materii, biorąc pod uwagę wszystkie znane nam ich inne źródła. Nie zaobserwowaliśmy nadwyżki takiego potencjalnego sygnału ponad tło i dzięki temu mogliśmy wprowadzić ograniczenia na pewne własności cząstek ciemnej materii. Dla szerokiego zakresu ich spodziewanych mas są to w tej chwili najsilniejsze ograniczenia pochodzące z obserwacji teleskopów neutrinowych.

Doświadczenie zdobyte w dotychczasowych pracach pozwoliło na rozszerzenie tych studiów i wyznaczenie również przewidywań czułości na odkrycie cząstek ciemnej materii w obecnie powstających teleskopach neutrin nowej generacji takich jak Hyper-Kamiokande oraz KM3NeT.

Prace były wspierane przez Narodowe Centrum Nauki, projekt SONATA-BIS nr. 2015/18/E/ST2/00758.

Dr Piotr Mijakowski, Zakład Fizyki Wielkich Energii NCBJ

---

1. Zakład Fizyki Wielkich Energii NCBJ zajmuje się eksperymentalnymi badaniami podstawowych składników materii. Większość prac prowadzona jest w wielkich międzynarodowych zespołach badawczych. Naukowcy z Zakładu uczestniczą w eksperymentach CMS, LHCb i ALICE przy akceleratorze LHC w CERN, NA61/SHINE przy akceleratorze SPS w CERN, KLOE-2 we Frascati, a także eksperymentach neutrinowych Super-Kamiokande i T2K w Japonii oraz KM3NeT zlokalizowanym w wodach Morza Śródziemnego. Badane są oddziaływania cząstek elementarnych i ciężkich jonów, cząstka Higgsa, struktura nukleonu, zachowanie i łamanie podstawowych symetrii, zjawisko oscylacji neutrin i wiele innych. Poszukuje się również nowych efektów, nie opisywanych przez obecny Model Standardowy. Poza prowadzeniem analiz fizycznych, wielu badaczy zaangażowanych jest także w utrzymywanie działania i projektowanie nowych systemów detekcyjnych i eksperymentów. 
2. Narodowe Centrum Badań Jądrowych jest jednym z największych instytutów badawczych w Polsce zatrudniającym ok. 1100 pracowników, w tym ponad 200 osób ze stopniem naukowym doktora, z czego ok. 80 osób ma status samodzielnych pracowników naukowych. W NCBJ pracuje ponad 200 osób z tytułem zawodowym inżyniera. Główna siedziba instytutu znajduje się w Otwocku, w dzielnicy Świerk, gdzie zlokalizowany jest ośrodek jądrowy należący do NCBJ, w tym reaktor badawczy MARIA. Instytut prowadzi badania naukowe i prace rozwojowe oraz wdrożeniowe w obszarze powiązanym z szeroko rozumianą fizyką subatomową, fizyką promieniowania, fizyką i technologiami jądrowymi oraz plazmowymi, fizyką materiałową, urządzeniami do akceleracji cząstek oraz detektorami, zastosowaniem tych urządzeń w medycynie i gospodarce oraz badaniami i produkcją radiofarmaceutyków. Instytut posiada najwyższą kategorię A+ przyznaną w wyniku oceny polskich jednostek naukowych dokonanej w 2017 r. Pozycję naukową instytutu wyznacza także liczba publikacji (ponad 500 rocznie) i liczba cytowań mierzona indeksem Hirscha (ok. 180). Są to wartości lokujące NCBJ w ścisłej czołówce wszystkich jednostek badawczych i akademickich w Polsce prowadzących porównywalne badania.

Źródło: NCBJ