Испания завершила испытания наибольшего и чувствительного детектирования мира, призванного наконец обнаружить загадочные частицы темной материи — вимпы. Вопросом остается: существуют ли вообще вимпы? Вместе с Naked Science разбираемся в аргументах за и против.
Проводятся испытания самого большого по размеру мирового детектора темной материи LUX-ZEPLIN. прошли успешноМощное оборудование исправно функционирует и готово к поиску таинственных вимпов. Эти гипотетические частицы, как полагают многие физики, составляют темную материю. Тестирование началось 23 декабря 2021 года и завершилось 11 мая 2022 года. Результаты уже опубликованы в виде… препринтаТемную материю до сих пор не обнаружили. Открытие такого феномена ожидалось не в ближайшем будущем.
Загадочное нечто
Что такое темная материя? Астрономы способны измерить количество звезд и газа по излучению. С другой стороны, движение звезд и галактик подсказывает о присутствии чего-то невидимого. гравитационное линзирование🙂 позволяет рассчитать их гравитацию. Наблюдателям уже несколько десятилетий не сходятся выводы. Если судить по гравитации, галактики и их скопления получаются слишком массивными. Эти и другие свидетельства приводят к интересной дилемме. Первый выход — допустить, что во Вселенной есть вещество, незаметное для телескопов (темная материя). Второй — переписать законы гравитации так, чтобы видимой материи хватало для должного притяжения.
Большинство специалистов выбирают первый путь из-за нескольких причин. Переписать законы физики непросто. Новые законы гравитации, объясняя одни наблюдения, часто противоречат другим. Предположим, что гравитация создаётся только наблюдаемым веществом. Тогда должна быть ясная связь между тяготением галактики и массой видимого вещества в ней. На практике же корреляция между ними слабая. слабовата.
Частичная разгадка?
Большинство астрономов полагает о существовании темной материи. Что её составляет?
Возможно, это обычные для космоса объекты, слишком тусклые для наших телескопов: черные дыры, коричневые карлики и что-то подобное. Несомненно, свой вклад в невидимое вещество Вселенной вносит и эта группа объектов. Темная материя превосходит обычную по количеству в пять раз. Ученые знают многое об эпохах, когда формировались первые атомные ядра и атомы. Исходя из этих знаний, сегодня в кубическом парсеке просто не может быть столько атомных ядер, сколько требуется для темной материи.
Расчеты нельзя считать полностью точными из-за некоторых погрешностей, которые можно использовать для сомнений. Астрономы не исключают вероятность, что это не темная материя, которая принципиально невидима, а просто наши телескопы недостаточно совершенны.
Если жрецы космологии правы, а темная материя не из атомов или ядер, то она состоит из других частиц. Среди теорий есть те, где эти частицы слипаются в экзотические небесные тела – «темные звезды». Проще предположить, что эти частицы рядом с нами, вокруг и внутри нас.
Представьте, что пространство переполнено невидимыми частицами. Непрерывно движущийся поток проскальзывает сквозь наши тела. Почему мы этого не замечаем? Частицы почти никогда не сталкиваются ни с ядрами атомов, ни с электронами. Только очень чувствительные детекторы, специально для этого созданные, способны их зарегистрировать. о нейтрино. Для них верно все вышеперечисленное.
Нейтрино не подходят для роли темной материи. По крайней мере те из них, которые уже зафиксированы экспериментально. Стандартную модельОбщий вес недостаточно велик, чтобы создать такую сильную гравитацию. Но это преподносит нам важный урок: пустое пространство наполнено множеством труднозамечаемых частиц. Что если там существуют ещё какие-то частицы, и именно они составляют темную материю?
Физики располагают множеством претендентов на эту роль. Теоретики в стремлении выйти за рамки Стандартной модели создали целую коллекцию частиц, которые могли бы существовать, но этого пока нельзя утверждать с уверенностью.
В подобных описаниях часто встречаются вимпы. Слово образовано от сокращения WIMPs, которое расшифровывается как Weakly Interacting Massive Particle, то есть «слабовзаимодействующие массивные частицы». «Массивные» в данном случае означает, что они значительно тяжелее протона или нейтрона (в отличие от). чрезвычайно легкихНа вопрос о весе нейтрино точный ответ отсутствует, теория предполагает различные вариации. Детектор LUX-ZEPLIN предназначен для поиска вимпов с массой от 10 до 30 раз больше массы протона.
Хорошо, а что означает «слабовзаимодействующие»? Между частицами действуют только четыре силы: сильная, слабая, электромагнитная и гравитационная. Разные частицы участвуют в разных взаимодействиях. К примеру, кварки — во всех четырех, а электроны — во всех, кроме сильного. Вимпы, как и нейтрино, участвуют только в двух — слабом и гравитационном.
Можно ли обнаружить вимпы по их гравитации? Да, если говорить о суммарном тяготении всех вимпов во всей галактике (так, кстати, астрономы и обнаружили темную материю). А что касается вимпов в пределах вашей комнаты? Почти наверняка их суммарная гравитация незаметна. Строго говоря, есть… проекты детекторовПредложенные идеи могут быть полезны. Однако авторы полагают, что масса каждого отдельного импа невероятно велика — в десятки раз больше массы протона. 18 раз, а то и вовсе достигать планковской массыБольшинство теоретиков не считают возможным существование таких тяжелых частиц, которые весят как пылинка.
Тогда остается слабое взаимодействие. Для того чтобы вимп вошло в такое взаимодействие с атомом, ему нужно буквально удариться лбом в атомное ядро. Это крайне маловероятное событие. Но именно такие редчайшие случаи и призван вылавливать LUX-ZEPLIN.
Ложка надежды в бочке ксенона
Центр нового детектора — титановая емкость с семью тоннами жидкого ксенона. Именно это является целью для вимпов. Предполагается, что при столкновении вимпов с атомами ксенона происходят два события. Во-первых, ядро атома испускает ультрафиолетовый фотон (первичная вспышка). Во-вторых, из атома выбивается электрон.
Фотоумножители ловят ультрафиолетовые фотоны, просматривая слой ксенона. Электроны тоже не исчезают, электрическое поле толкает их вверх, к поверхности. При попадании в тонкий слой паров ксенона электрон вызывает микроскопическую вспышку света. Таких вспышек называются вторичными. Первичные и вторичные вспышки сигнализируют о приезде вимпса.
В детектор незапланированно проникают другие частицы, вызывая вспышки. Космические лучи попадают в него, а примесь радиоактивных изотопов в каждом природном материале испускает радиацию. Этот фон ничтожен для дозиметра, но критично велик для охотника за вимпами.
Вимпы различаются от других частиц соотношением яркости первой и второй вспышки. Для этого необходимо два вида вспышек. Однако это недостаточно. Чужие частицы часто врезаются в атомы больше, чем вимпы, поэтому полезный сигнал может быть замаскирован шумом.
LUX-ZEPLIN напоминает матрешку или луковицу: сердцевина – это мишень для вимпов, а внешние слои предназначены для защиты её от случайных частиц и оповещения о проникновении посторонних. Разберем эту конструкцию от центра к периферии.
Титановая цистерна имеет двойные стенки, а между ними залиты еще две тонны жидкого ксенона. Это сделано для электрической изоляции мишени от остальных частей установки. Но этот слой также работает как детектор частиц. Если что-то попадет сначала в него, а затем в мишень, можно быть уверенным: это не вимп. Гордый вимп никогда не приблизится к двум атомам подряд, это совершенно невероятно.
Внешний детектор, следующий слой «матрешки», также обнаруживает посторонние частицы. сцинтилляторе, которого там ни много ни мало 17 тонн.
Система находится в резервуаре объемом 238 тонн сверхчистой воды. Вода защищает от естественной радиации. Частицы, прошедшие сквозь неё, излучают… черенковское излучение, предупреждая о своем визите.
В конце концов, всю конструкцию закапывают в землю на глубину свыше 1,5 километра. Пласт горных пород защищает ее от космических лучей.
Рискованные вложения
LUX-ZEPLIN — не первая попытка обнаружить частицы с помощью ксеноновых детекторов. был предложен двадцать лет назад. Его опробовали на детекторе ZEPLINОбъект содержал 12 килограммов ксенона в символическом смысле. В 2012 году, по завершении работы, выяснилось, что объекты внимания не заинтересовались такой скромной добычей. Детектор. LUXРаботал с 2014 по 2016 годы и содержал уже 370 килограммов ксенона, однако также не обнаружил никаких вимпов. Затем был следующей… XENON1TСменил пост LUX-ZEPLIN, продолжатель работы первых двух приборов. По устройству и местоположению он близок к предшественникам.
Кажется, физики продолжат строить все более масштабные и дорогие детекторы до тех пор, пока не иссякнет ксенон (или пока финансирование прекратится). Может быть, за это время удастся обнаружить вимпы. Однако скептики полагают, что скорее всего случится первое, а второе – маловероятно. Ведь вимпы — лишь одна из многих гипотез о природе темной материи.
Конечно, не только випами проводятся поиски темной материи. Например, детектор… ADMX и ABRACADABRAТратя усилия на обнаружение аксионов. Эти частицы легче вимпов, несмотря на то что остаются гипотетическими.
Формулировать гипотезу о природе темной материи стоит меньше, чем строить детектор. Экспериментаторы поэтому проверяют лишь самые распространенные версии. Возможно, что верной окажется какая-нибудь редкая. Но кто не рискует, тот и сладости не ест (и валидола тоже).