Сотрудники, работающие над детектором темной материи LUX-ZEPLIN, признанным самым чувствительным в мире, представили первые масштабные результаты его работы. Полученные данные, хотя и соответствовали ожиданиям, вселяют оптимизм. Исследователи полагают, что человечество приблизилось к обнаружению частиц этой таинственной субстанции, как никогда раньше.
Темная материя — таинственная субстанция, эта сущность ранее не была замечена и не зафиксирована. Это связано с ее минимальным взаимодействием с обычной материей и светом, что затрудняет ее обнаружение с помощью специализированных приборов. Существование темной материи ученые предполагают, основываясь на косвенных признаках, а именно на гравитационном воздействии, которое она, вероятно, оказывает на видимую материю.
По оценкам ученых, темная материя составляет около 80 процентов всей массы во Вселенной. Она нужна для объяснения несоответствий в поведении физических объектов. В частности, с ее помощью объясняют наличие скрытой массы, проявляющейся в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик и в эффектах гравитационного линзирования.
По мнению ряда физиков, фундаментом этой таинственной субстанции являются предположительные массивные частицы, слабо взаимодействующие с другими веществами — вимпы (Ученые уже не одно десятилетие ведут поиск частиц, известных как вимпы (WIMPs). Для обнаружения этих частиц обычно используются мощные и дорогостоящие установки — детекторы темной материи, расположенные под землей, где созданы оптимальные условия.
В ходе эксперимента в Китае предпринимались попытки выявить эту загадочную субстанцию PandaX, в самом сердце Италии, в удалённом горном районе Гран-Сассо, где проводился эксперимент XENON100, и даже на Южном полюсе, где расположена нейтринная обсерватория IceCube. Тем не менее, ни один из детекторов не показал выдающихся результатов.
В 2022 году появилась возможность для поиска темной материи. Под землей, на глубине 1,5 километра, в бывшем золотом руднике, расположенном в США, в подземном исследовательском центре Сэнфорда, заработал крупнейший и самый чувствительный в мире детектор вимпов — LUX-ZEPLIN зафиксировал взаимодействие частиц темной материи с атомами жидкого ксенона. Для регистрации этого взаимодействия установка использует резервуар, заполненный рекордным количеством — семью тоннами жидкого ксенона).
После 280 дней эксплуатации научного прибора международная группа физиков обнародовала предварительные результаты на двух научных конференциях, посвященных физике: TeV Particle Astrophysics в США и LIDINE в Бразилии.
В отчете ученых указано, что эксперимент LUX-ZEPLIN не выявил ни одного кандидата в вимпы с массой, превышающей девять гигаэлектронвольт. Несмотря на то, что результаты могут быть восприняты как неудовлетворительные, они позволили установить строгие ограничения на характеристики темной материи, сузив диапазон возможных свойств почти в пять раз. Таким образом, физики получили более четкое представление о том, какими свойствами частицы темной материи не обладают.
«Если провести аналогию с детекторами, используемыми людьми для поиска темной материи, то представьте себе океан, в котором обитает волшебная рыбка — вимп. Нам необходимо ее обнаружить, но мы не знаем, где ее искать. Сначала мы исследовали океан без каких-либо приспособлений, но не нашли ничего. Затем мы взяли акваланг, снова погрузились, на этот раз исследуя глубину, но и там нас ждало разочарование. Мы покинули океан, чтобы вернуться в него уже на подводной лодке — с детектором LUX-ZEPLIN, однако и в этот раз не добились значительных результатов. Тем не менее, такие последовательные исследования позволили нам изучить около 75 процентов океана. В следующий раз мы войдем в него с еще более мощной установкой», — пояснил участник проекта LUX-ZEPLIN, физик Чамкаур Гаг ( Chamkaur Ghag) из Университетского колледжа Лондона.
Эксперимент с детектором LUX-ZEPLIN будет продолжен для поиска вимпов. По плану, его работа продлится около 1000 дней и завершится в 2028 году. После этого его заменит детектор нового поколения XLZD. Если этот эксперимент также не выявит темную материю, то, скорее всего, исследователям потребуется переосмыслить свои представления об этом таинственном веществе.
Впрочем, многие исследователи выражают сомнения в том, что темная материя состоит из частиц, которые ищет LUX-ZEPLIN. Существуют также мнения, что она вообще не состоит из частиц, существуют гипотезы, объясняющие аномалии, а иные — что темная материя вообще не существует.