Закончились испытания самого крупного и чувствительного в мире детектора, созданного для обнаружения таинственных частиц темной материи, известных как вимпы. Однако, существуют ли они на самом деле? Вместе с Naked Science мы анализируем доводы сторонников и противников этой теории.
Тестирование самого крупного в мире детектора темной материи LUX-ZEPLIN прошли успешно. Установка функционирует корректно и готова к поиску вимпов. Эти частицы являются гипотетическими и, как предполагается многими физиками, составляют темную материю. Тестирование было проведено с 23 декабря 2021 года по 11 мая 2022 года. Результаты уже опубликованы в виде препринта. Впрочем, быстрого обнаружения темной материи никто не ожидал.
Загадочное нечто
Астрономы способны определить массу звезд и газа, оценивая их свечение. Однако, наблюдаемое движение звезд и галактик указывает на наличие некой дополнительной массы, которую невозможно объяснить присутствием видимой материи гравитационное линзирование) используя этот метод, можно вычислить силу их взаимного притяжения. Однако, в течение нескольких десятилетий наблюдается несоответствие в балансе этих сил. При оценке по силе притяжения галактики и их скопления оказываются излишне массивными. Эти и другие факты приводят к сложной проблеме. Одним из возможных решений является предположение о существовании темной материи – вещества, которое не фиксируется телескопами. Альтернативный вариант – модификация законов гравитации, чтобы видимой материи было достаточно для объяснения наблюдаемого притяжения.
Первый подход выбирают большинство экспертов. Это объясняется рядом факторов. В первую очередь, изменить законы физики – задача крайне сложная. Новые законы гравитации, объясняя одни явления, нередко противоречат другим. Более того, допустим, что гравитация возникает исключительно благодаря наблюдаемой материи. В таком случае, должна существовать четкая взаимосвязь между гравитацией галактики и массой видимой материи в ней. Взаимосвязь эта должна быть выражена однозначной формулой. Однако на практике корреляция между ними, прямо скажем, слабовата.
Частичная разгадка?
Большинство астрономов полагают, что темная материя существует. Но из каких же компонентов она состоит?
Возможно, это космические объекты, которые слишком слабые, чтобы их можно было увидеть с помощью наших телескопов. К ним могут относиться черные дыры, коричневые карлики и другие подобные образования. Нельзя исключать, что они также вносят свой вклад в невидимое вещество Вселенной. Однако, темной материи в пять раз больше, чем обычной. У нас есть определенные сведения о периодах формирования первых атомных ядер и атомов. И, основываясь на этих знаниях, сегодня в кубическом парсеке не может находиться достаточное количество атомных ядер для объяснения существования темной материи.
Несмотря на это, данные расчеты нельзя считать абсолютно точными, поскольку в них присутствуют неточности, которые могут вызвать сомнения. Поэтому астрономы не исключают возможности того, что наблюдаемое явление связано не с принципиальной невидимостью темной материи, а с недостаточной мощностью существующих телескопов.
Что, если жрецы космологии оказались правы, и темная материя не состоит из атомов или их ядер? В таком случае необходимо будет принять, что она формируется из иных частиц. Существует множество теорий, предполагающих, что частицы темной материи объединяются, образуя необычные небесные тела, своего рода «темные звезды». Однако куда логичнее предположить, что эти частицы находятся непосредственно рядом с нами, вокруг нас и даже внутри нас.
Вокруг нас существует огромное количество невидимых частиц, непрерывным потоком проникающих сквозь наши тела. Мы не ощущаем этого, поскольку эти частицы крайне редко взаимодействуют с атомными ядрами или электронами. Зафиксировать их способны только специализированные, высокочувствительные детекторы. Звучит как фантастика? Возможно, если вы ранее не сталкивались с этой информацией о нейтрино. Для них верно все вышеперечисленное.
Действительно, нейтрино не могут быть темной материей. По крайней мере, те ее разновидности, которые были зафиксированы экспериментами и рассматриваются в ее составе Стандартную модель. Их общая масса недостаточна для создания такой мощной гравитации. Однако они демонстрируют нам важный урок: кажущееся пустым пространство наполнено огромным количеством неуловимых частиц. Возможно, там присутствуют и другие частицы, которые и формируют темную материю?
У физиков имеется широкий выбор претендентов на эту должность. В стремлении расширить представления, заложенные в Стандартной модели, теоретики предложили множество гипотетических частиц, существование которых пока не подтверждено.
В подобных рассуждениях вимпы встречаются наиболее часто. Этот термин является сокращением от WIMPs, или Weakly Interacting Massive Particle, что переводится как «слабовзаимодействующие массивные частицы». «Массивные» здесь подразумевает, что их масса существенно превышает массу протона или нейтрона (в отличие от чрезвычайно легких нейтрино). Насколько тяжелее, точного ответа нет, теория допускает самые разные варианты. Детектор LUX-ZEPLIN рассчитан на поиск вимпов с массами 10-30 масс протона.
Что подразумевается под термином «слабовзаимодействующие»? Следует учитывать, что взаимодействие между частицами осуществляется посредством четырех сил: сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного. Различные частицы подвержены разным видам взаимодействий. К примеру, кварки взаимодействуют посредством всех четырех сил, а электроны – посредством всех, за исключением сильного. Вимпы, подобно нейтрино, взаимодействуют лишь посредством слабого и гравитационного.
Можно ли выявить вимпы по их гравитационному воздействию? Да, если рассматривать общее гравитационное притяжение всех вимпов в галактике (именно таким образом, как известно, астрономы и обнаружили темную материю). А что касается вимпов в пределах вашей комнаты? Почти наверняка их совокупное гравитационное воздействие не поддается обнаружению. Строго говоря, есть проекты детекторов, которые могли бы помочь. Однако их разработчики основываются на весьма смелом допущении: каждый отдельный вимп обладает массой, чрезвычайно большой по меркам элементарных частиц. Эта масса должна быть не менее чем в 10 18 раз, а то и вовсе достигать планковской массы (сопоставимой с массой пылинки!). По мнению большинства теоретиков, существование частиц с таким большим весом представляется маловероятным.
В таком случае, взаимодействие будет незначительным. Однако, для того чтобы вимп вступил в подобное взаимодействие с атомом, ему необходимо столкнуться с атомным ядром напрямую. Это крайне маловероятный сценарий. Но именно такие редчайшие события и предназначен для обнаружения LUX-ZEPLIN.
Ложка надежды в бочке ксенона
В основе нового детектора лежит титановая емкость, содержащая семь тонн жидкого ксенона, которая служит целью для вимпов. Считается, что при столкновении вимпа с атомом ксенона происходят два процесса. В первую очередь, ядро атома излучает ультрафиолетовый фотон, который представляет собой первичную вспышку. Во вторую очередь, из атома высвобождается электрон.
Фотоумножители фиксируют ультрафиолетовые фотоны, проникающие сквозь слой ксенона. Электроны также не остаются без внимания. Электрическое поле направляет их к поверхности. При столкновении с тонким (менее сантиметра) слоем паров ксенона, электрон генерирует микроскопическую вспышку света. Эти вспышки именуются вторичными. Именно первичные и вторичные вспышки указывают на присутствие вимпа.
Суть проблемы заключается в том, что посторонние частицы могут проникать в детектор и вызывать ложные вспышки. В качестве источника помех выступают, в первую очередь, космические лучи. Кроме того, в любом природном материале присутствуют следы радиоактивных изотопов, генерирующих радиацию. Хотя этот фон незначителен для дозиметриста, он представляет собой серьезную проблему для ученых, занимающихся поиском вимпов.
Вимпы отличаются от других частиц по соотношению яркости первичной вспышки к яркости вторичной. Для определения этого соотношения необходимо наблюдение двух типов вспышек. Однако этого недостаточно. Посторонние частицы гораздо чаще сталкиваются с атомами, чем вимпы, поэтому полезный сигнал может быть заглушен шумом.
LUX-ZEPLIN имеет структуру, напоминающую матрешку или луковицу, при этом мишень для вимпов располагается в её центре. Все слои, расположенные выше, предназначены для защиты её от внешних частиц или, как минимум, для сигнализации об их воздействии. Разберем эту конструкцию от центра к периферии.
Двойные стенки титановой цистерны обеспечивают электрическую изоляцию мишени от остальной части установки. Пространство между стенками заполнено дополнительными двумя тоннами жидкого ксенона. Этот дополнительный слой также выполняет функцию детектора частиц: если частица попадает сначала в него, а затем в мишень, можно с уверенностью утверждать, что это не WIMP. WIMP никогда не достигнет мишени, пройдя через два атома подряд – это попросту невозможно.
Внешний детектор представляет собой следующий слой «матрешки». Он также предназначен для обнаружения посторонних частиц. Попадание нежелательных объектов приводит к вспышкам в гадолиниевом сцинтилляторе, которого там ни много ни мало 17 тонн.
Вся эта система находится в резервуаре, заполненном 238 тоннами сверхчистой воды. Эта вода эффективно защищает от естественной радиации. А те частицы, которые проникают сквозь нее, испускают черенковское излучение, предупреждая о своем визите.
В заключение, вся эта конструкция помещена под землю на глубину свыше 1,5 километра. Горный слой защищает ее от воздействия космических лучей.
Рискованные вложения
LUX-ZEPLIN не является первым детектором вимпов, использующим ксенон. Этот принцип работы уже применялся ранее был предложен двадцать лет назад. Его опробовали на детекторе ZEPLIN, содержавшем символические 12 килограммов ксенона. К 2012 году, когда прибор прекратил свою работу, стало очевидно, что вимпы не проявят интерес к столь незначительному количеству приманки. Детектор LUX работал в 2014-2016 годах и содержал уже 370 килограммов ксенона, но тоже не обнаружил никаких вимпов. Следующим стал XENON1T (использовалось 3,5 тонны ксенона, эксперимент проводился в период с 2016 по 2018 год. Далее эстафету принял LUX-ZEPLIN, являющийся преемником первых двух детекторов. Он во многом повторяет их конструкцию и даже установлен на месте LUX.
Физики, вероятно, продолжат создавать все более крупные и затратные детекторы до тех пор, пока не будет исчерпан ксенон, или пока не прекратят финансирование их проектов. Альтернативно, они могут обнаружить вимпы. Однако, скептики справедливо отмечают, что первое событие представляется более вероятным. Учитывая, что вимпы — лишь одна из множества гипотез, объясняющих природу темной материи, основания для скептицизма вполне оправданы.
Конечно, поиски темной материи не ограничиваются поиском вимпами. Например, детекторы ADMX и ABRACADABRA пытаются уловить аксионы. Это частицы куда более легкие, чем вимпы, хотя и не менее гипотетические.
Разработка гипотезы о природе темной материи обходится значительно дешевле, чем строительство детектора. Поэтому экспериментаторы вынуждены проверять только наиболее распространенные предположения. Не исключено, что в конечном итоге окажется верной менее популярная теория. Однако, без риска не бывает и успеха).