Поиск темной материи: физики смотрят в неправильном направлении?

Темная материя считается наиболее распространенной формой материи во Вселенной, ее масса примерно в пять раз больше массы обычной материи, содержащейся в звездах и галактиках. Есть только одна проблема: несмотря на полвека усилий, ученые нашли только косвенные доказательства ее существования. Теперь измерение с помощью нового сверхточного эксперимента намекает, что ученые, возможно, смотрели в неправильном направлении.

Галактики во Вселенной движутся слишком быстро и вращаются слишком быстро, чтобы их можно было объяснить наблюдаемой материей в космосе и принятыми законами физики. Самое популярное объяснение этих любопытных наблюдений заключается в том, что Вселенная пронизана большим количеством невидимой формы материи. Эта материя, условно названная темной материей, может гравитационно взаимодействовать с обычными формами материи, но темная материя не излучает и не поглощает свет.

Хотя было предложено и отвергнуто несколько кандидатных форм темной материи, с конца 1990-х годов научное сообщество остановилось на предпочтительном кандидате темной материи, называемом WIMP (Weakly Interacting Massive Particle — слабо взаимодействующая массивная частица). Если WIMP реальны, консенсус заключается в том, что они являются стабильными субатомными частицами, электрически нейтральными, с массой в диапазоне от 100 до 100 000 ГэВ. (ГэВ — это единица энергии, которая связана с массой через уравнение Эйнштейна E = mc². Для контекста, протон имеет массу около 1 ГэВ.)

Согласно популярной теории, WIMP нельзя увидеть, хотя они и оказывают гравитационное воздействие. В отличие от обычной материи, которая объединяется в звезды и планеты, темная материя WIMP организована в виде огромных облаков «газа», которые окружают и пронизывают галактики, включая наш Млечный Путь. Если такие облака существуют, газ темной материи можно найти в Солнечной системе, и он образует «ветер WIMP», который постоянно проходит через Землю. В зависимости от массы отдельных частиц WIMP, если вы сожмете кулак, в этом объеме, возможно, будет одна частица WIMP.

Физики безуспешно искали этот WIMP-ветер, несмотря на ряд все более чувствительных детекторов. С середины 1980-х годов детекторы увеличили свою чувствительность в миллион раз. Один из современных детекторов мирового класса называется LUX-Zeplin (LZ). Он использует 10 тонн жидкого ксенона, охлажденного примерно до -100 °C, и расположен на глубине около 1480 метров в подземном исследовательском центре Сэнфорда (SURF) в заброшенной золотой шахте.

Эта глубина защищает детектор от постоянного потока космических лучей из космоса, которые могут имитировать сигналы темной материи. Только семь из 10 тонн ксенона в центральном ядре детектора используются в последующих анализах; события, в которых сигналы видны в трех тоннах жидкого ксенона, которые образуют оболочку вокруг внутреннего ядра, отклоняются. Это гарантирует, что любые возможные обнаружения WIMP будут хорошо измерены.

Эксперимент LZ ожидает, что частица WIMP пройдет через детектор и столкнется с атомом ксенона. Прогнозируется, что следы от этого столкновения оставят обнаруживаемый сигнал. После 280 дней работы (из ожидаемых 1000) ученые LZ не обнаружили прохождения WIMP через свой детектор.

Недавно они представили результаты на конференциях TeVPA и LIDINE. Измерение, объявленное LZ, отражает пятикратное улучшение диапазона масс WIMP и вероятностей взаимодействия, которые исключены. Хотя существование WIMP остается возможным, текущее измерение делает их существование менее вероятным. Остается один диапазон масс, который LZ не смог исключить. Анализ, о котором ученые сообщили, не рассматривал массы WIMP ниже 9 ГэВ.

Учитывая диапазон масс, поддерживаемый большинством теорий WIMP (100–100 000 ГэВ), если окажется, что темная материя настолько легкая, возможно, что темная материя вообще не является WIMP. LZ продолжает анализировать свои данные. Тот факт, что исследователи избегали масс ниже 9 ГэВ, объясняется не тем, что у них нет данных; скорее, это связано с тем, что анализ малых масс очень сложен и потребует большей осторожности, прежде чем будут получены какие-либо результаты.

Будущие, более крупные эксперименты с жидким ксеноном смогут проводить еще более чувствительные измерения, однако существует предел того, насколько эксперименты по поиску WIMP могут быть улучшены. Следует отметить, что Земля постоянно «купается» в частицах, называемых нейтрино. Эти нейтрино возникают как из ядерных реакций на Солнце, так и из космических лучей. По сути, Земля существует в нейтринном тумане.

К сожалению, нейтринные взаимодействия в детекторах WIMP очень похожи на взаимодействия темной материи, поэтому, когда эксперименты с темной материей станут достаточно чувствительными, чтобы обнаружить этот нейтринный туман, станет невозможно обнаружить взаимодействия темной материи. Это будет похоже на попытку услышать шепот на рок-концерте.

Детектор с чувствительностью примерно в 10 раз лучше, чем LZ, сможет обнаружить нейтринный туман. Вероятно, потребуется от 10 до 15 лет, чтобы разработать детекторы с таким уровнем чувствительности. После достижения этого уровня традиционные поиски WIMP больше не будут возможны.

Означает ли это, что ученые приближаются к концу пути поиска темной материи? Вовсе нет. В конце концов, неожиданное движение галактик требует объяснения. Может быть, темная материя — это некая форма материи, которая не является WIMP. Действительно, некоторые физики обращают свое внимание на гораздо более легкого кандидата на темную материю, называемого аксионом.

Аксионы, как и WIMP, не были обнаружены, но для обнаружения аксионов требуются совершенно иные технологии, чем для частиц WIMP. Поиск темной материи будет продолжаться.