Темную материю не нашли, но это тоже хорошо - Темная материя Детектор Частица » 2024

Многие физики серьезно надеялись, что результаты эксперимента немного прояснят ситуацию вокруг темной материи, но те по-прежнему приводят к противоречивым выводам. Что ж, может ученым из MIT удастся найти ее в ходе своего эксперимента. Некоторые полагали, что LUX поможет сузить границы поиска загадочных частиц, но эксперимент оказался пустышкой.

«Короче говоря, мы ничего не увидели. Но мы увидели «ничего» лучше, чем кто-либо до нас», — рассказал физик-ядерщик Дэниел Маккинси из Йеля, член коллаборации LUX.

Некоторых из нас может оставить в недоумении тот факт, что находка «ничего» поощряет физиков, которые будут использовать результаты для установления строгих ограничений в поиске темной материи в будущем. Кроме того, твердое отсутствие каких-либо находок окончательно поставило точки в ряде предыдущих экспериментов, которые тоже занимались поиском неуловимой темной материи.

«Что-то из того, на что раньше делали ставку, оказалось на свалке в настоящее время», — подтвердил физик Ричард Гейтскелл из Брауновского университета, также работавший в LUX.

Однако ряд ученых не соглашается с тем, что LUX исключил их находки, поэтому споры только разгораются.

Когда астрономы вглядываются в глубины вселенной, они видят темную материю везде и всюду. Ну ладно, конкретно темную материю они не видят. Но они знают, как работает гравитация, а их уравнения предполагают, что для того, чтобы звезды вращались в галактиках на тех скоростях, с которыми вращаются сейчас, им должна помогать огромная невидимая масса. Кроме того, моделирование Вселенной показало, что темное вещество необходимо для того, чтобы космос был именно таким, как является сейчас.

Руководствуясь этими наблюдениями, физики подсчитали, что на каждый протон, нейтрон или другую частицу обычной материи вселенной должно приходиться по меньшей мере пять частиц темной материи. И хотя из этого следует доминирующее положение по массе темной материи в галактиках и галактических скоплениях, темная материя остается призраком.

Физики полагают, что темная материя состоит из слабовзаимодействующих массивных частиц, или «вимпов» (WIMP). Насколько слабо взаимодействуют эти частицы с обычной материей? Если вы построите свинцовый куб с длиной грани 200 световых лет и пошлете частицы темной материи через этот куб, будет 50-процентный шанс того, что вся материя пройдет через куб и выйдет с другой стороны. Да, 200 световых лет в длину.

Ученым невероятно сложно засечь материю такого типа. Но все ученые — умные ребята, поэтому они создали ряд превосходных детекторов, которые пытаются зафиксировать частицы темной материи.

LUX, как и большинство экспериментов, прямо направленных на поиск темной материи, работает по принципу «подождем, пока что-нибудь не ударит меня». Детектор состоит из большого числа атомов, расположенных очень плотно, что увеличивает вероятность проникновения в них темной материи. В случае LUX это атомы ксенона, очень стабильный элемент, который не спровоцирует никаких нежелательных химических реакций, тем самым испортив результаты эксперимента.

Идея состоит в том, что темная частица может пролететь рядом с атомом ксенона и выбить электрон, а LUX зарегистрирует это как увеличение заряда. Кроме того, частица темной материи может попасть прямо в атом ксенона, подняв один из его электронов на более высокую орбиту. Когда электрон вернется в свое базовое состояние, он испустит фотон, образуя крошечную вспышку света, которую зафиксирует один из 122 фотодетекторов LUX.

Большинство других прямых методов обнаружения работают аналогичным образом, и экспериментаторы полагают, что их датчики смогут преуспеть в обнаружении темной материи. Проблема в том, что за последние несколько лет каждый эксперимент выдает отличные от других результаты.

Сторонники существования частиц темной материи разделились на два лагеря. Первые полагают, что «вимпы» темной материи относительно тяжелые; вторые полагают, что они достаточно легкие. Тяжелые в этом случае означает пределы 100 ГэВ, или 100 масс протона. Тяжелые вимпы были предсказаны теорией, известной как суперсимметрия, которая добавляет множество новых частиц к кваркам, нейтрино и электронам, уже известным нам сегодня. Если бы детектор обнаружил частицу WIMP с массой 100 ГэВ, это был бы не только важный момент в обнаружении темной материи, но и первое реальное доказательство в пользу суперсимметрии. Поскольку суперсимметрия, по мнению многих ученых, является будущим физики, частица темной материи с массой 100 ГэВ была бы долгожданным гостем для них.

Есть и другой лагерь, который считает, что темная материя намного легче. Хотя это и не было предсказано конкретной теорией, легкие «вимпы» также обладают солидными достоинствами. Например, несколько экспериментов, возможно, уже видели намеки на доказательства их существования. Коллаборация под названием Coherent Germanium Neutrino Technology (CoGeNT), которая использует кристаллы германия в своем детекторе, обнаружила сигнал того, что темная материя может прятаться в пределах массы 7-11 ГэВ. Другая команда, Cryogenic Dark Matter Search (CDMS), представила результаты того, что в апреле три частицы темной материи, вроде бы, были зафиксированы в тех же диапазонах. Все эти данные остаются намеками, но намеки это тоже хорошо. Есть, кстати, и другие спорные коллаборации DAMA и LIBRA, которые уже лет десять утверждают, что фиксируют сигналы темной материи.

LUX должен был навести порядок в этой запутанной ситуации. Он более чувствительный, чем предыдущие эксперименты, большой (то есть использует больше атомов ксенона, а значит и вероятность попадания выше) и лучше защищен. Есть множество всяких штук в субатомном мире — космические лучи, заряженные частицы, излучение — которые могут быть ошибочно приняты за темную материю.

Детектор LUX позволяет избежать всех других потенциальных ложных реакций, поскольку «по существу является самым тихим местом на Земле», если смотреть с точки зрения энергий, говорит Гейтскелл.

LUX расположен почти в двух километрах под землей в шахте Южной Дакоты под названием Sanford Underground Research Facility. Он улавливает любые странные заряженные частицы и космические лучи, которые могут прилетать с любых концов вселенной. Бак для воды окружает жидкий ксенон, экранируя его. Сам детектор выполнен из материалов, которые, разумеется, не выделяют много излучения, из титана и тефлона. А еще — разумеется, в благих целях, — эксперимент учитывает только ксеноновые атомы в самом центре детектора, поскольку внешние ксеноновые атомы все же подвергаются блуждающим субатомным частицам, которые проникают всюду и везде.

Из-за своей осторожности команда LUX заслужила хорошую репутацию в сообществе физиков, и их результаты исследований будут восприниматься всерьез. Коллаборация рассчитала, что их детектор в два раза чувствительнее к тяжелым частицам вимпов и в 20 раз более чувствителен к легким вимпам, чем детектор другой коллаборации, идущей следом по уровню, XENON 100. Нулевой результат LUX означает то, что идея легкости вимпов, возможно, нашла свой конец.

«Трудно совместить наше полное отсутствие сигнала с другими результатами», — говорит Гейтскелл. Если эксперимент CDMS зарегистрировал три попадания частиц темной материи, более крупный LUX должен был зарегистрировать около 1600 событий.

Однако ученые, которые занимаются поиском легких вимпов, не согласны с однозначным приговором. Результаты LUX были представлены только в научном журнале, так что у других физиков пока не было времени сделать выводы.

Вполне возможно, что жидкий ксеноновый детектор LUX не так чувствителен к легким вимпам, как полагала команда, считает физик Хуан Коллар из Чикагского университета, возглавляющий эксперимент CoGeNT. Атом ксенона в 131 раз тяжелее протона, что делает его более соответствующим тяжелой частице, чем легкой. Команда LUX должна экстраполировать свои выводы с использованием моделей, которые предсказывают, сколько легковесных вимпов можно было бы обнаружить, и с теми моделями, которые вытекают из этих выводов.

«Я думаю, они не дошли ни до одной низкоэнергетической калибровки, которой мы ожидали», — сообщил Коллар журналу Wired по электронной почте.

Физик-теоретик Джонатан Фенг, как пишет источник, из Калифорнийского университета в Ирвине тоже не уверен, что можно исключить сценарий легких вимпов. Сравнивать норму ожидания фиксируемых частиц в германиевых кристаллах, как в CDMS и CoGeNT, и в жидком ксеноне — как сравнивать апельсины и яблоки.

«Для того, чтобы сравнивать уровень ожидаемых столкновений с германием и ксеноном, вам нужно сделать теоретическое предположение, что темная материя одинаково взаимодействует со всеми частицами», — говорит Фенг.

У ученых нет ни малейшего представления о темной материи и о том, какими возможными экзотическими свойствами она может обладать. Вполне возможно, что все ранние предположения были ошибочными, и природа темной материи куда более сложна, чем предполагают простые модели. Тем не менее, стоит признать, что результаты LUX буквально убили ряд теорий.

«Стало очень неудобно», — говорит Фенг. — «Одна из моих любимых моделей суперсимметрии теперь исключена. Осталось очень мало места для шага вперед, но все подходит к концу».

Как это часто бывает, нужно больше данных, чтобы прояснить ситуацию с темной материей. CDMS все еще работает, как и CoGeNT, а значит представит свежие результаты в ближайшем будущем. LUX также будет собирать данные и возможно однажды зафиксирует несколько столкновений. Два крупных детектора, XENON 1T в Европе и преемник LUX под названием LZ, будут запущены в течение нескольких лет.

«В конце концов, это один из раундов 15-раундового боя тяжеловесов», — говорит Фенг. Но все надеются на то, что ситуация прояснится в течение пяти-десяти лет, признает физик.

1

---

Новое по теме: Наука » Обзоры

Тематические новости: