Пенсионный советник

Вимп, хамелеон или две дырки от бублика

Ученые никак не могут понять, что же такое темная материя и темная энергия

Григорий Колпаков 21.08.2015, 13:47
Ученые никак не могут понять, что же такое темная материя и темная энергия Shutterstock
Ученые никак не могут понять, что же такое темная материя и темная энергия

Безуспешные поиски таинственных частиц, отвечающих за существование темной материи и темной энергии, до сих пор не увенчались даже видимостью успеха, однако на этой неделе кольцо вокруг них резко сузилось. Об этом идет речь в двух статьях, опубликованных в последнем номере журнала Science.

Что касается темной материи, то, как известно, сегодня частицами, ее составляющими, считают вимпы — слабо взаимодействующие массивные частицы (weakly interacting massive particles). С частицами «нормальной» материи они взаимодействуют только через гравитацию, поэтому остаются невидимыми. Еще они, как предполагается, наподобие нейтрино участвуют в слабом взаимодействии, которое на самом деле очень сильное, но имеет очень ограниченный радиус действия, не превышающий размера атомного ядра.

Поэтому вимп может выдать свое присутствие, лишь точно попав в частицу и вызвав при этом каскад разлетающихся фотонов. Вероятность такого события чрезвычайно мала, но именно его пытаются уловить в лабораториях, занимающихся поисками темной материи.

Один из самых чувствительных в мире вимп-детекторов находится в Италии в подземной лаборатории Гран-Сассо и называется XENON100. Он представляет собой резервуар, наполненный 62 литрами сверхчистого ксенона, и его фотоумножители годами регистрируют все происходящие в нем сцинтилляции, пытаясь вычленить из них пришедший от вимпа сигнал. На этой неделе коллаборация XENON опубликовала в журнале Science результаты своих последних наблюдений. Вимпов они так и не обнаружили, однако проведенный ими анализ значительно ограничил район поисков. Учеными выявлены новые ограничения на массу гипотетических частиц, что отмело сразу целую серию предложенных ранее моделей. Больше того, приказала долго жить казавшаяся очень перспективной гипотеза, объясняющая ежегодные колебания сцинтилляционного фона, связанные, как считают, с вращением Земли вокруг Солнца, именно наличием вимпов.

Эти колебания — «модуляционный сигнал» — были обнаружены тут же, в Гран-Сассо, но на другом детекторе, DAMA/LIBRA, работающем на кристаллах йодистого калия. Пытаясь объяснить наличие модуляционного сигнала влиянием вимпов, исследователи разработали три модели такого влияния, и каждая из этих моделей наблюдениями детектора подтверждалась.

Однако результаты, полученные на детекторе XENON100, у которого чувствительность на порядки выше, чем у DAMA/LIBRA, не оставили от этих трех моделей камня на камне. А модуляционный сигнал так и остался без объяснения.

Круг, таким образом, сужается, но что находится в этом круге? Неизбежно возникает знаменитый горьковский вопрос: «А был ли мальчик? А может, мальчика-то и не было?»

Тот же вопрос, вероятно, можно отнести и к результатам команды исследователей из Калифорнийского университета Беркли, занятых поисками еще более любопытной частицы — так называемой частицы-хамелеона, ответственной, как предполагают, за существование темной энергии — таинственной силы, гравитационно расталкивающей Вселенную и заставляющей ее с ускорением расширяться.

Это просто фантастическая частица. Гипотеза о ней была предложена в 2004 году, и, согласно этой гипотезе, частица-хамелеон меняет свою массу, подстраиваясь под гравитационное окружение и, соответственно, меняя идущий от нее гравитационный сигнал.

Гипотеза оказалась настолько красивой, что сразу же завоевала сердца теоретиков, однако о свойствах частицы-хамелеона она ничего толком не говорила.

Камера для поиска частиц-«хамелеонов» Holger Muller
Камера для поиска частиц-«хамелеонов»

Возникло множество вариантов этой частицы и создаваемых ею полей. Например, в описании этих полей присутствует параметр «бета», значение которого может варьироваться в очень широких пределах, вплоть до значений порядка десяти в четырнадцатой степени.

С экспериментальным подтверждением существования частиц-хамелеонов до сих пор было намного хуже. По идее, заметить их можно было бы, наблюдая за гравитационным взаимодействием двух масс и выискивая в нем гравитационные аномалии. Однако эти аномалии, эти хамелеонские сигналы, в предыдущих экспериментах полностью маскировались гравитационным фоном самих взаимодействующих масс.

Исследователи из Беркли решили одну из масс заменить одним-единственным атомом и воспользоваться для этого сверхчувствительным атомным интерферометром, который они создали ранее для других целей. С помощью этого прибора они могли наблюдать за падением атома цезия на двухсантиметровую алюминиевую сферу, находящуюся в камере со сверхчистым вакуумом, и в различных режимах отслеживать возможные гравитационные аномалии, свидетельствующие о присутствии частиц-хамелеонов.

Короче говоря, таковых они не нашли. Зато, как и их коллеги из Гран-Сассо, смогли сильно сузить район поисков.

Например, судя по результатам их наблюдений, накладывается сильное ограничение на величину упомянутой выше «беты». Ее максимальное значение снизилось аж на десять порядков и теперь не превышает десяти тысяч. Это сразу поставило крест на множестве вариантов неуловимой частицы и большом диапазоне энергий, которыми она могла бы в принципе обладать.