Cel mai mare laborator subteran din lume, pentru a descifra un mister major pentru ştiinţa actuală

Cel mai mare laborator subteran din lume, o realizare tehnică exceptională, a fost inaugurat de curând, sub Muntele Jinping, la 2 400 metri adâncime, în prefectura autonomă Liangshan Yi, din provincia Sichuan, din sud-vestul Chinei – “China Jinping Underground Laboratory” (CJPL ).

Proiectul a debutat în 2010, când a şi fost dată în funcţiune o primă hală a acestui laborator (CJPL-I) , iar de curând a fost inaugurată cea de-a doua hală, de 50 de ori mai mare decât cea iniţială, având o dimensiune echivalentă cu 120 de piscine de dimensiuni olimpice, depăşind actualul deținător de record – “Laboratori Nazionali del Gran Sasso”, din Italia, de sub Muntele Gran Sasso, destinat cercetărilor în domeniul fizicii particulelor şi astrofizicii nucleare.

Ideea construirii laboratorului din Jinping s-a născut odată cu proiectul barajului Jinping II, care a implicat excavarea unor tuneluri paralele, uriaşe, pe sub munți. O echipă de fizicieni de la Universitatea Tsinghua au stabilit că ar fi o locație excelentă pentru un laborator subteran și au negociat cu compania hidroenergetică pentru excavarea spațiului de laborator la sud de cel mai sudic dintre cele șapte tuneluri paralele ale barajului.

Scopul punerii în funcţiune a acestui laborator – cel mai mare laborator subteran din lume – este acela de a descifra una dintre cele mai mari enigme pentru ştiinţa actuală – materia întunecată.

Ce este materia întunecată?

Materia întunecată sau materia neagră este o formă ipotetică de materie, care ar reprezenta cea mai mare parte din materia existentă în Univers, dar care nu poate fi observată direct, cu mijloacele actuale de detecție, cum ar fi telescoapele sau instrumentele de fizică a particulelor.

Este denumită „întunecată” pentru că nu absoarbe şi nici nu emite lumină sau radiaţii electromagnetice și, prin urmare, nu poate fi detectată direct cu ajutorul telescoapelor astronomice.

Toate cercetările efectuate până acum pe această temă au dus la concluzia că materia vizibilă din Univers reprezintă aproximativ 4%, în timp ce 96% din ceea ce reprezintă Universul este imposibil de perceput, este materie şi energie întunecată.

Există mai multe ipoteze referitoare la existența materiei întunecate. Una dintre acestea provine din observațiile privind mișcarea galaxiilor din Univers. Se pare că galaxiile se mișcă la viteze mai mari decât ar permite gravitația generată de masa lor vizibilă. Această discrepanță este explicată prin existența unei cantități semnificative de materie întunecată, care contribuie la forța gravitațională totală.

Deși există ipoteze și teorii care încearcă să explice natura materiei întunecate, cum ar fi particulele WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) sau alte forme “exotice” de materie, aceasta rămâne un mister major în fizica actuală. Studiul și înțelegerea materiei întunecate ar putea oferi indicii esențiale pentru înțelegerea structurii și evoluției Universului nostru.

Cercetările din cel mai mare laborator subteran din lume vor dezlega taina materiei întunecate?

Vor dezlega cercetările din cel mai mare laborator subteran din lume misterul materiei întunecate? Aproximativ 40 de oameni de ştiinţă participă la desfăşurarea experimentelor din domeniul fizicii particulelor subatomice.

Unul dintre cercetătorii chinezi, implicat în experimentele din cel mai mare laborator subteran din lume, spunea într-un interviu că “adâncimea extremă – 2 400 de metri sub pământ – blochează majoritatea razelor cosmice, făcând din laborator un loc „ultra-curat”, ideal pentru a detecta materia întunecată”. „Munții înalţi din provincia Sichuan, mai sublinia acesta, ar trebui să ajute la apărarea cu până la 0,000001% din radiația care lovește Pământul din spațiu”.

În plus, tunelurile care duc la cel mai mare laborator subteran din lume sunt săpate în marmură, mai puțin radioactivă decât alte roci, iar camerele experimentale au fost căptușite cu un amestec de beton și cauciuc care ar trebui să le protejeze de radiațiile muntelui.

Cele mai importante experimente care au loc în cel mai mare laborator subteran din lume

Natura materiei întunecate și momentul exact al formării acesteia au rămas, până astăzi, necunoscute. Una dintre ipotezele principale spune că materia întunecată este compusă din particule subatomice care nu interacționează cu lumina electromagnetică, deci nu pot fi nici protoni, nici neutroni, nici electroni, nici neutrini obişnuiţi. Ar putea fi vorba, spun specialiştii, de nişte particule subatomice rezultate din procesele care au avut loc în primele stadii ale Universului, cum ar fi Big Bang-ul sau alte evenimente cosmice majore.

Unele modele cosmologice sugerează că materia întunecată ar fi putut să se fi format în primele fracțiuni de secundă după Big Bang, odată cu formarea structurilor primordiale în Univers şi aceste condiţii şi structuri se încearcă să se recreeze în laborator.

Este amplasat în laboratorul subteran din Jinping un detector de particule şi xenon astrofizic (PandaX) ultraperformant (xenon – element chimic din grupul gazelor nobile, incolor și inodor, care se găsește în atmosferă în cantități foarte mici), al cărui cost de construcţie este estimat la aproximativ 15 milioane de dolari şi care trebuie continuu îmbunătăţit şi adaptat. Experimentul PandaX este dedicat căutării particulelor WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) – “candidate” pentru explicarea materiei întunecate.

Experimentul DAMPE (DArk Matter Particle Explorer) – este un detector spațial de raze cosmice de mare precizie, care are ca scop detectarea particulelor de materie întunecată, dar și studiul radiației cosmice și a fenomenelor astrofizice.

Experimentul CDEX (China Dark Matter Experiment) – acest experiment are ca scop detectarea materiei întunecate folosind tehnici de identificare a interacțiunilor dintre particulele de materie întunecată și atomii detectorului de germaniu.

În viitorul apropiat va fi amplasat în cel mai mare laborator subteran din lume şi un detector de materie întunecată cu argon lichid (argonul – gaz incolor și inodor, al treilea cel mai abundent gaz din atmosfera Pământului).

Alte experimente, aceeaşi temă – materia întunecată

Experimentele din cel mai mare laborator subteran din lume, de la Jinping, nu sunt primele de acest fel. În 2012, cercetătorii de la CERN (Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară) au descoperit, de exemplu, o nouă particulă subatomică – Bosonul Higgs sau “Particula lui Dumnezeu”, despre care se crede că a avut un rol fundamental în formarea Universului.

Existenţa Bosonului Higgs, o particulă care dă masă lucrurilor, fusese postulată încă din 1964, de către Peter Higgs, un fizician britanic, şi dovedită abia o jumătate de secol mai târziu. Dacă bosonul Higgs nu ar exista, materia nu ar exista si nici Universul, aşa cum îl știm, nu ar exista.

La CERN, a fost realizat unul dintre cele mai complexe experimente, prin lansarea unei raze protonice, cu viteză apropiată de cea a luminii, ghidată de 9300 de magneţi, în interiorul unui accelerator de particule – un tunel lung de 27 de kilometri, construit sub granita franco-elvetiană. Scopul unui astfel de experiment este de a recrea realitatea primei fracţiuni de secundă de după Big Bangul iniţial.

Laboratoare subterane uriaşe, in lume, destinate cercetării în fizica nucleară şi a particulelor

În afară de cel mai mare laborator subteran din lume, de la Jinping, mai există laboratoare similare, puţin cunoscute de către publicul larg, utilizate pentru o varietate de experimente științifice în domenii precum fizica particulelor, fizica nucleară, astrofizică și geofizică. Impresionante prin dimensiunea si dotarile tehnice sunt următoarele:

• Laboratorul Național Gran Sasso (Italia) care, până la darea în funcţiune a celei de-a doua hale de la Jinping, deţinea recordul de cel mai mare laborator subteran, folosit pentru cercetări în fizica particulelor, detectarea materiei întunecate și studiul proprietăților neutrinilor.
• Laboratorul Sanford Underground Research Facility (SURF) sau Sanford Lab, din SUA – a fost inițial o mină de aur situată în Dakota de Sud, care a fost transformată într-un laborator subteran pentru cercetări în domeniul fizicii materiei întunecate, a neutrinilor, astrofizică, fizică nucleară, biologie, geologie și inginerie. Aici a fost realizat celebrul experiment Homestake, care a adus dovezi pentru detectarea neutrinilor solari. Aşa numita “Cavernă Davis” a oferit mediul pentru a deveni cel mai sensibil detector de materie întunecată din lume, cu un sistem de purificare cu xenon, servere şi alte echipamente electronice.
• Laboratorul subteran Kolar Gold Fields (India) – situat sub minele de aur abandonate din Kolar Gold Fields, acest laborator este utilizat pentru cercetări în domeniul astrofizicii, geofizicii și fizicii particulelor.
• Laboratorul Național pentru Fizică Nucleară (SUERC, Marea Britanie) – acest laborator, situat sub Universitatea din Glasgow, este folosit pentru studii de geofizică, fizica neutrinilor și pentru alte experimente legate de fizica nucleară și a particulelor.
• Laboratorul subteran pentru Fizică Experimentală de Particule (LSM, Franța) – acest laborator este situat sub Muntele Mont Blanc și este utilizat pentru cercetări în fizica particulelor și astrofizică.

Cel mai mare laborator subteran din lume – riscuri

Pe lângă eforturile extraordinare pe care le presupune realizarea unor astfel de laboratoare, există, in lumea stiinţifică, si voci care atrag atenţia asupra costurilor enorme ale intreţinerii lor si ale experimentelor (si care deocamdată nu au adus rezultatele scontate) si asupra riscurilor pe care le presupun asemenea experimente.

Desi totul este monitorizat cu mare atenție pentru a minimiza orice impact negativ, iată câteva riscuri potențiale asociate cu aceste experimente:

• Accidente și defecțiuni tehnice – instrumentele complexe și acceleratoarele de particule utilizate în experimentele cu particule subatomice pot suferi defecțiuni tehnice sau pot provoca accidente. Acest lucru poate duce la deteriorarea echipamentului, întârzieri în cercetare sau chiar la incidente care pun în pericol siguranța personalului și a mediului înconjurător.
• Generarea de particule periculoase – in timpul unor experimente cu energii foarte mari, pot fi generate particule subatomice cu energii enorme sau cu potențial de distrugere. Este important ca aceste particule să fie gestionate cu atenție pentru a preveni accidentele sau scurgerile care ar putea pune în pericol oamenii sau mediul.
• Impactul asupra mediului – experimentele necesită resurse considerabile. Construcția și funcționarea acceleratoarelor de particule pot avea un impact asupra mediului înconjurător, inclusiv schimbări în peisaj, consum de energie și emisii de dioxid de carbon.
• Posibile consecințe neprevăzute – unele experimente pot implica aspecte necunoscute ale fizicii sau pot duce la rezultate neprevăzute. Acest lucru poate avea implicații tehnice, etice sau de securitate care trebuie abordate cu mare atenție.

Pentru a gestiona aceste riscuri, laboratoarele și instituțiile de cercetare care desfășoară astfel de experimente implementează protocoale stricte de siguranță și monitorizează îndeaproape activitățile. De asemenea, este esențial să existe transparență și comunicare cu publicul, pentru a asigura înțelegerea și acceptarea experimentelor care se desfășoară și pentru a răspunde (ceea ce nu prea se intâmplă) îngrijorărilor sau întrebărilor legate de siguranță.