Поиски тёмной кошки в тёмной комнате

Знакомьтесь, это Елена Априле, профессор Колумбийского университета, возглавляющая группу, создавшую самый чувствительный детектор частиц тёмной материи, известных как вимпы.

Елена Априле
Елена Априле в своей лаборатории в Колумбийском университете.

Детектор, получивший название XENON, располагается в глубине Апеннинских гор в родной для Априле Италии. Здесь в тёмной и глубокой шахте он ведёт поиск гипотетических частиц, из которых должна состоять загадочная тёмная материя. Но десять лет непрерывных попыток пока не принесли никакого результата.

XENON камера
Сердце детектора — камера, заполненная 3,5 тоннами ксенона.

Тёмная материя — гипотетическая субстанция, которая должна решить проблему так называемой «скрытой массы». Дело в том, что ещё в 1920-х годах было установлено, что звёзды в нашей галактике — Млечном пути — вращаются вокруг её центра значительно быстрее, чем это следует из известных законов и видимого количества вещества. То же самое позднее обнаружили и у других галактик. После долгих попыток объяснить эти наблюдения, учёные пришли к выводу, что во Вселенной существует некое скрытое от наших глаз и телескопов вещество, которое состоит из неких экзотических частиц. Эти частицы условно называют тёмной материей, но их природа на данный момент остаётся неизвестной.

Кривая вращения галактики
Зависимость скорости вращения галактики от расстояния от центра галактики. A — теоретическая на основе видимого количества звёзд, B — реально наблюдаемая.

Вообще говоря, скрытое вещество не обязано состоять из чего-то, что науке неизвестно. Это могли бы быть чрезвычайно тусклые звёзды или чёрные дыры. Рассматривались также варианты, что таким веществом являются, например, огромные количества практически незаметных для нас нейтрино — легчайших частиц, не имеющих заряда. Проблема заключается в том, что для объяснения наблюдаемой скорости вращения галактик скрытого вещества должно быть очень много — более чем в пять раз больше, чем видимого. Такому огромному количеству нейтрино просто неоткуда взяться, а существование такого большого количества чёрных дыр было бы заметно.

Состав Вселенной
Относительный состав Вселенной по современным данным.

По этим причинам сейчас основная гипотеза о природе скрытого вещества заключается в том, что оно состоит из неких экзотических частиц, которые никогда не встречались учёным в экспериментах. Эти частицы условно называют тёмной материей или тёмным сектором частиц, и существует множество предположений, каковы их свойства и, главное, как их искать. Одна из наиболее популярных гипотез утверждает, что существуют так называемые вимпы (от англ. WIMP — Weakly Interacting Massive Particles) — это относительно тяжёлые частицы, которые восприимчивы только к двум видам взаимодействия: гравитации и слабому ядерному. Их гравитационное воздействие мы видим по их влиянию на вращение галактик, а слабое ядерное взаимодействие настолько слабо, что может быть замечено только в чрезвычайно тонких экспериментах.

Сейчас вимпы ищут на Большом адронном коллайдере, а также в целом ряде экспериментов, аналогичных XENON. Стратегия таких экспериментов заключается в следующем: берётся как можно больший объём чистого ксенона — благородного газа, аналогичного, скажем неону, но более тяжёлого. Он защищается от космических лучей — обычно путём помещения установки как можно глубже под землю. Горы подходят идеально. Ксенон обносится детекторами, после чего остаётся только ждать. По существующим теориям вимп может с небольшой вероятностью прореагировать с одним из ядров ксенона в вашем объёме, в результате чего должна произойти вспышка излучения, которую засекут детекторы.

XENON фотоумножители
Массив фотоумножителей, задача которых — уловить вспышку света от реакции с участием вимпа. Взгляд снизу.

Долго ли будет вестись эта борьба за поиск вимпов? Точно неизвестно. Неизвестно даже, точно ли они существуют, и тем более никто не может гарантировать, что они достаточно сильно взаимодействуют с ядрами привычных нам веществ. Чувствительность ксеноновых детекторов непрерывно увеличивается, и рано или поздно они достигнут такого уровня, что начнут видеть поток нейтрино, идущих из космоса. Их количество огромно — через вашу ладонь каждую секунду проходит триллионы этих крошечных частиц. Когда детекторы начнут их чувствовать, они заполнятся шумом, на фоне которого поймать вимпы будет невозможно. Но пока мы далеки от этого предела, и Елена Априле настроена решительно:

В течение ближайших пары лет, может, пяти-шести в общей сложности, мы или скажем наверняка, что вимпов не существует, или что-то откроем.


Источник: Интервью с Е. Априле в Quanta Magazine

comments powered by Disqus