Поиск темной материи: а в ту ли сторону смотрят ученые?

Недавний эксперимент бросает вызов ведущей теории о темной материи и намекает на новые направления в раскрытии одной из величайших загадок Вселенной.

Считается, что темная материя – самая распространенная форма материи во Вселенной, составляющая примерно в пять раз большую массу, чем обычное вещество, найденное в звездах и галактиках. Есть только одна проблема: несмотря на полвека усилий, ученые нашли лишь косвенные доказательства ее существования. Теперь измерение, полученное с помощью сверхточной новой установки, намекает на то, что ученые, возможно, смотрели не туда.

Что-то не так во Вселенной. Галактики движутся слишком быстро и вращаются слишком стремительно, чтобы это можно было объяснить наблюдаемой материей в космосе и принятыми законами физики. Самое популярное объяснение этих любопытных наблюдений заключается в том, что Вселенная пронизана большим количеством невидимой формы материи. Эта материя, предварительно названная темной материей, может гравитационно взаимодействовать с обычными формами материи, но темная материя не излучает и не поглощает свет.

Хотя было предложено и отвергнуто несколько кандидатов на роль темной материи, с конца 1990-х годов научное сообщество остановилось на фаворите под названием WIMP (слабо взаимодействующая массивная частица). Если WIMP реальны, то, по общему мнению, это стабильные субатомные частицы, электрически нейтральные, с массой в диапазоне от 100 до 100 000 ГэВ. (ГэВ – это единица энергии, связанная с массой через уравнение Эйнштейна E = mc2. Для контекста: протон имеет массу около 1 ГэВ.)

Согласно популярной теории, WIMP нельзя увидеть, хотя они и оказывают гравитационное воздействие. В отличие от обычной материи, которая объединяется в звезды и планеты, темная материя WIMP организована в виде огромных облаков “газа”, которые окружают и пронизывают галактики, включая нашу собственную, которую мы зовем Млечный Путь. Если такие облака существуют, то газ темной материи можно найти в Солнечной системе, и он образует “ветер WIMP”, который постоянно проходит через Землю. В зависимости от массы отдельных частиц WIMP, если вы сожмете кулак, то в этом объеме, возможно, находится одна частица WIMP.

Ученые безуспешно искали этот ветер WIMP, несмотря на серию все более чувствительных детекторов. С середины 1980-х годов чувствительность детекторов увеличилась в миллион раз. Одним из нынешних детекторов мирового класса является LUX-Zeplin (LZ). В нем используется 10 тонн жидкого ксенона, охлажденного примерно до -100 °C, и он расположен на глубине около 1478 метров под землей в заброшенной золотой шахте в Подземной исследовательской лаборатории Сэнфорда (SURF).

Эта глубина защищает детектор от постоянного потока космических лучей из космоса, которые можно спутать с сигналами темной материи. Только семь из 10 тонн ксенона в центральном ядре детектора используются в последующих анализах; события, в которых сигналы наблюдаются в трех тоннах жидкого ксенона, образующих оболочку вокруг внутреннего ядра, отбрасываются. Это гарантирует, что любые возможные обнаружения WIMP будут хорошо измерены.

Эксперимент LZ ожидает, когда частица WIMP пройдет через детектор и ударит атом ксенона. Предполагается, что обломки этого столкновения пройдут через аппарат и оставят обнаруживаемый сигнал. После 280 дней работы (из ожидаемых 1000) ученые LZ не обнаружили прохождения WIMP через свой детектор. Недавно они сообщили о своих результатах на конференциях TeVPA и LIDINE. Научная статья находится в стадии подготовки, хотя следует проявлять некоторую осторожность, поскольку объявленные результаты еще не прошли экспертную оценку. (Раннее обнародование результатов измерений является обычным явлением для крупных экспериментов, таких как LZ, и очень редко экспертная оценка существенно меняет результаты измерений, о которых сообщается изначально).

Измерение, о котором сообщили в LZ, отражает пятикратное улучшение в диапазоне масс WIMP и вероятностей взаимодействия, которые исключаются. Хотя существование WIMP остается возможным, текущее измерение делает их существование менее вероятным. Остается один диапазон масс, который LZ не смог исключить. В представленном ими анализе не рассматривались массы WIMP ниже 9 ГэВ.

Учитывая диапазон масс, предпочитаемый большинством теорий WIMP (100 – 100 000 ГэВ), если окажется, что темная материя настолько легкая, возможно, темная материя вообще не является WIMP. LZ продолжает анализировать свои данные. То, что они избегали масс ниже 9 ГэВ, не означает, что у них нет данных в этом диапазоне; скорее, анализ низких масс очень сложен и потребует большей осторожности, прежде чем будут получены какие-либо результаты.

Будущие, более крупные эксперименты с жидким ксеноном смогут проводить еще более чувствительные измерения, однако существует предел совершенствования экспериментов с WIMP. Видите ли, Земля постоянно купается в частицах, называемых нейтрино. Эти нейтрино образуются как в результате ядерных реакций на Солнце, так и в результате воздействия космических лучей из космоса. По сути, Земля существует в нейтринном тумане.

К сожалению, взаимодействия нейтрино в детекторах WIMP очень похожи на взаимодействия темной материи, поэтому когда эксперименты с темной материей станут достаточно чувствительными для обнаружения этого нейтринного тумана, обнаружить взаимодействия темной материи станет невозможно. Это будет похоже на попытку услышать шепот на рок-концерте.

Детектор с чувствительностью примерно в 10 раз лучше, чем у LZ, сможет обнаружить нейтринный туман. Вероятно, потребуется 10-15 лет, чтобы разработать детекторы с таким уровнем чувствительности. После этого традиционные поиски WIMP станут невозможными.

Означает ли это, что мы приближаемся к концу пути в поисках темной материи? Вовсе нет. В конце концов, неожиданное движение галактик требует объяснения. Возможно, темная материя – это какая-то форма материи, не являющаяся WIMP. Действительно, некоторые ученые обращают свое внимание на гораздо более легкого кандидата в темную материю, называемого аксионом. Аксионы, как и WIMP, не были обнаружены, но для обнаружения аксионов требуются совершенно иные технологии, чем для частиц WIMP.

Так что, поиск темной материи будет продолжаться.