Екатерина Шульман
о новой роли
российского парламента

Как ищут темную материю

Как физики ищут темную материю

Григорий Колпаков 08.01.2016, 12:26
Shutterstock

Как появился термин «темная материя», что такое вимпы и виспы, могут ли нейтрино двигаться со скоростью, превышающей скорость света, а также почему физики ожидают найти темную материю в ближайшие десять лет — на эти и другие вопросы отвечает отдел науки «Газеты.Ru».

Появление темной материи

Иногда кажется, что это сама темная материя мстит ученым за невнимание, с которым было встречено ее открытие более 80 лет назад. Тогда, в 1933 году, американский астроном швейцарского происхождения Фриц Цвикки, наблюдая за шестью сотнями галактик в расположенном в 300 млн световых лет от Млечного Пути скоплении Кома, обнаружил, что масса этого скопления, определенная исходя из скорости движения галактик, в 50 раз больше массы, вычисленной с помощью оценки светимости звезд.

Не имея ни малейшего представления о том, что представляет собой эта разница масс, он и дал ей ставшее теперь официальным определение — темная материя.

Очень долго темная материя мало кого интересовала. Астрономы полагали, что проблема скрытой массы разрешится сама собой, когда удастся собрать более полную информацию о космическом газе и очень тусклых звездах. Ситуация начала меняться лишь после того, как в 1970 году американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд опубликовали результаты измерений скоростей звезд и газовых облаков крупной спиральной галактики М31 — туманности Андромеды. Против всех ожиданий оказалось, что вдали от ее центра эти скорости примерно постоянны, что противоречило ньютоновской механике и получало объяснение лишь при допущении, что галактику окружает большое количество невидимой массы.

Когда сталкиваешься с явлением, о котором ничего не известно, то ему можно приписать большое количество объяснений, и остается только перебирать их одно за другим, отметая негодные и придумывая по пути новые. Причем не факт, что среди всех этих объяснений окажется верное. Неправильное поведение периферийных звезд можно было объяснить, двигаясь в двух направлениях — немножко корректируя законы Ньютона или признавая, что на свете есть отличная от нашей материя, которую мы не видим, потому что частицы, из которых она состоит, не участвуют в электромагнитном взаимодействии, то есть не излучают света и не поглощают его, взаимодействуя с нашим миром только посредством гравитации.

Был ли Ньютон неправ?

Первое направление, то есть контрньютоновская корректировка, развивалось довольно вяло. Правда, в 1983 году израильский теоретик Мордехай Милгром создал так называемую модифицированную механику Ньютона, при которой малые ускорения реагируют на воздействующую силу несколько иначе, чем так, как нас учили в школе. Эта теория нашла множество последователей и вскоре была развита до такой степени, что нужда в темной материи исчезла. Примечательно, что сама Вера Рубин, всемирно признанный пионер в исследованиях темной материи, всегда склонялась именно к модификации Ньютоновых законов — похоже, ей просто не нравилась идея о веществе, которого много, но которое так никто и не увидел.

Неуловимый вимп

Кандидатов же на частицы темной материи много, и для большинства из них есть обобщающее и почти ничего не говорящее название «вимпы» — это английская аббревиатура WIMPs, образованная от термина «Weakly Interacting Massive Particles», или «слабо взаимодействующие массивные частицы». Иначе говоря, это частицы, участвующие только в гравитационном и слабом взаимодействии — его действие распространяется на размеры значительно меньшие, чем размеры атомного ядра. Именно на поиски этих вимпов как на самое напрашивающееся объяснение и направлены сегодня основные усилия ученых.

Детекторы вимпов, особенно те, где их ловят на ксенон, по своему принципу похожи на ловушки для нейтрино. Одно время даже считалось, что нейтрино и есть тот самый неуловимый вимп. Но масса этой частицы оказалась слишком мала — известно, что 84,5% всей материи Вселенной приходится на темную материю и, по подсчетам, столько нейтрино на эту массу не наберется.

А принцип прост. Берется, скажем, ксенон как самый тяжелый из благородных газов, охлаждается до азотных температур, а желательно и ниже, оберегается от всяких ненужных «гостей» типа космических лучей, вокруг сосуда с ксеноном устанавливается множество фотоэлементов, и вся эта система, расположенная глубоко под землей, приступает к ожиданию. Потому что ждать надо долго — по расчетам,

длина ловушки с ксеноном, которая сможет с 50-процентой вероятностью захватить пролетевший сквозь нее вимп, должна составлять 200 световых лет!

Под захватом здесь понимается либо пролет вимпа рядом с атомом ксенона, причем пролет на таком расстоянии, на котором слабое взаимодействие уже работает, либо прямое попадание в ядро. В первом случае внешний электрон атома ксенона будет выбит со своей орбиты, что будет зарегистрировано по изменению заряда, во втором — он перескочит на другой уровень и сразу вернется «домой» с последующим выбросом фотона, который затем регистрируется фотоумножителями.

Сенсация или ошибка?

Впрочем, «просто» — это не совсем то слово в применении к детекторам вимпов. Это не очень просто и очень дорого. Один из таких детекторов под незамысловатым названием Xenon был установлен в подземной итальянской лаборатории Гран-Сассо. К сегодняшнему дню он был дважды модифицирован и носит теперь имя Xenon1T. Он самым тщательным образом очищается от примесей, способных приводить к сигналам, похожим на сигналы от темной материи. Например, от одного из типичных загрязнителей — радиоактивного изотопа криптона-85. Его содержание в коммерческом ксеноне составляет всего лишь несколько частей на миллион, однако при поиске вимпов это несусветная грязь. Поэтому начиная со второй модификации установки — Xenon100 — физики дополнительно очищают ксенон, уменьшая концентрацию загрязнителя до сотен частей на триллион.

Детектор XENON100 Wikimedia Commons
Детектор XENON100

И включив детектор, они, конечно, сказали заветное «вот-вот». В ходе первой же стодневной сессии наблюдений ученые зарегистрировали целых три импульса, очень похожих на сигналы от пролетающих вимпов. Они сами себе не верили, хотя, наверное, очень хотелось верить, но шел 2011 год, уже отмеченный сильным проколом: физики обнаружили, что нейтрино, прилетающие к ним из ЦЕРН в ходе другого эксперимента, летят со скоростью, превышающей скорость света. Ученые, проверив, казалось, все, что только можно проверить, обратились к научному сообществу с просьбой посмотреть, что идет не так. Коллеги посмотрели и не смогли найти ошибок, сказав, однако,

что этого не может быть, потому что этого не может быть никогда. Так оно и вышло: прокол, как выяснилось, заключался всего лишь в одном разъеме с плохим контактом, который трудно было заметить.

И вот теперь под грузом такого фиаско ученые опять встали перед выбором. Если это вимпы, то это гарантированная Нобелевская премия, причем немедленная. А если нет? Второй раз позориться не хотелось, и они принялись проверять и перепроверять. В результате оказалось, что два из трех сигналов вполне могут быть паразитными сигналами от фоновых атомов-загрязнителей, от которых до конца так избавиться и не удалось. А оставшийся сигнал совсем уже ни в какую статистику не попадал, так что о нем самое лучшее было бы забыть и больше не вспоминать.

Детектор увидел «ничего»

Очередное «вот-вот» прозвучало, когда представители коллаборации, работающей на самом сегодня чувствительном детекторе темной материи LUX (Large Underground Xenon), что расположен в заброшенной золоторудной шахте в штате Южная Дакота, заявили, что сменили калибровки детектора. После этого у них появилась граничащая с уверенностью надежда, что долгожданное «вот-вот» наконец сбудется. Детектор LUX, который с самого первого дня своего существования был намного чувствительнее итальянского, в два раза чувствительнее по отношению к тяжелым вимпам и в 20 раз чувствительнее к легким.

Детектор LUX Large Underground Xenon detector
Детектор LUX

За первую 300-дневную сессию наблюдений, начавшуюся летом 2012 года и закончившуюся в апреле 2013-го, LUX не увидел ничего даже там, где хотя бы из вежливости мог что-нибудь разглядеть. Как заявил член коллаборации LUX Дэниел Маккинси из Йельского университета, «мы ничего не увидели, но мы увидели это «ничего» лучше, чем кто-либо до нас».

В результате этого «ничего» было напрочь отброшено сразу несколько многообещающих версий, особенно в отношении «легких» вимпов. Что не прибавило коллаборации сочувствующих из числа тех, чьи версии отверг LUX. Коллеги набросились на них с целой кучей упреков в неумении правильно ставить эксперимент — реакция вполне стандартная и ожидаемая.

Насчет массы вимпов — если они вообще существуют — физикам не известно решительно ничего. Сейчас поиск ведется в диапазоне масс от 1 до 100 ГэВ (масса протона составляет около 1 ГэВ). Многие ученые мечтают о вимпах с массой в сто протонов, поскольку частицы именно с такой массой предсказаны суперсимметричной теорией, которая на самом деле теорией еще не стала, а представляет всего лишь очень красивую, но умозрительную модель и которой многие прочат судьбу преемницы стандартной модели. Это был бы настоящий подарок для сторонников суперсимметрии, особенно сейчас, когда эксперимент на Большом адронном коллайдере до сих пор не зарегистрировал ни одной из предсказанных ею частиц.

Вторая сессия наблюдений на детекторе LUX, которая закончится в будущем году, должна благодаря уже упомянутым в начале калибровкам серьезно увеличить чувствительность детектора и помочь

отлавливать вимпы самых разных масс (ранее LUX был настроен на наивысшую чувствительность около 34 ГэВ), обнаруживая их сигналы там, где они прежде игнорировались. Иначе говоря, в следующем году нас ожидает очередное и очень решительное «вот-вот».

Если этого «вот-вот» и тогда не случится, тоже ничего страшного: на смену LUX уже готовится следующий детектор LZ, куда более чувствительный. Предполагается, что спустя несколько лет он будет запущен. Одновременно коллаборация DARWIN готовит «монстра» емкостью 25 тонн ксенона, перед которыми LUX с его 370 кг газа кажется «слепым» и ни на что не годным прибором. Так что, похоже, вимпам — если они существуют — скрываться будет просто негде, и рано или поздно они дадут о себе знать. Физики дают им на это не более десяти лет.

Вимп или висп?

Если вимпы будут и дальше упорствовать в своей неуловимости, то есть еще аксион, за которым тоже следовало бы погоняться. Аксионы — гипотетические частицы, введенные в 1977 году американскими физиками Роберто Печчеи и Элен Куинн, для того чтобы избавить квантовую хромодинамику от некоторых нарушений симметрии. Это, собственно, тоже вимпы, относящиеся к подразряду более легких виспов (Weakly Interacting Slim Particles), но у них есть одна особенность: в сильном магнитном поле они должны индуцировать фотоны, по которым их можно легко обнаружить.

Сегодня аксионами мало кто интересуется, и даже не потому, что люди не слишком в них верят, и не потому, что их регистрация связана с какими-то особыми сложностями, просто их поиск связан со слишком большими расходами. Для того чтобы аксион начал превращать виртуальные фотоны в реальные, нужны очень сильные магнитные поля — что интересно, магниты с нужными полями уже существуют. Рынок предлагает 18-тесловые магниты, существуют экспериментальные магниты на 32 тесла, но это очень дорогие машины, да и приобрести их непросто. К тому же те, от кого зависит финансирование подобных исследований, действительно не слишком верят в реальность существования аксионов. Возможно, когда-нибудь потребность в поиске аксионов сделает эти финансовые трудности преодолимыми, а к тому времени и магниты могут подешеветь.

Несмотря на то что погоня за вимпами кажется бесконечной и бесплодной, на самом деле все идет как надо. Для начала надо отработать самую простую и самую напрашивающуюся версию — вимпы. Когда они будут найдены, а их масса будет известна, физикам придется думать о том, что эти вимпы собой представляют — действительно ли это тяжелые нейтралино, квантовый набор суперпартнеров фотона, Z-бозона и бозона Хиггса, как сейчас предполагает большинство физиков, или что-то другое. Если же вимпов не обнаружат во всем диапазоне возможных масс, надо будет рассматривать альтернативные варианты — например,

искать вимпы другими способами. Скажем, если это знаменитый фермион Майораны, который сам для себя является античастицей, то, встречаясь, такие фермионы должны аннигилировать, превращаясь в излучение и оставляя о себе память в виде излишка фотонов.

Если уж никакой возможности обнаружить вимпы не окажется, что вообще-то кажется маловероятным, то можно будет внимательнее рассмотреть варианты с модифицированной ньютоновской механикой. Можно будет также проверить (пока непонятно как) совершенно фантастический вариант, связанный с предсказанными теорией струн семью дополнительными измерениями, которые скрыты от нас, поскольку свернулись в клубочки планковского размера. Согласно некоторым из моделей такой многомерности, гравитационная сила проникает в каждое из этих измерений и потому так слаба в нашем трехмерном мире. Однако при этом возникает вероятность того, что темная материя скрыта в этих свернувшихся измерениях и проявляет себя только благодаря вездесущей гравитации. Есть еще экзотические объяснения темной материи, связанные с топологическими дефектами квантовых полей, возникшими во время Большого взрыва, есть также гипотеза, объясняющая темную материю фрактальностью пространства-времени, и нет никаких сомнений, что при необходимости физики-теоретики придумают еще что-нибудь не менее оригинальное. Самое главное — внести в этот список единственно верное объяснение.