IceCube не разглядел тёмную материю

Учёные, работающие на крупнейшем в мире нейтринном телескопе IceCube, опубликовали данные по поиску сигнала от аннигиляции гипотетических частиц тёмной материи — так называемых вимпов — происходящей на Солнце. Сигнал обнаружить не удалось, что накладывает определённые ограничения на возможность взаимодействия вимпов с протонами.

Внешний вид обсерватории _IceCube_
Внешний вид обсерватории IceCube

Телескоп IceCube представляет собой 5000 оптических детекторов (фотоумножителей), организованных в 86 «линеек» и расположенных на антарктической станции «Амундсен — Скотт». Детекторы находятся на глубине от 1,5 до 2,5 км подо льдом, чтобы исключить влияние космических лучей.

Внешний вид детектора обсерватории _IceCube_
Внешний вид детектора обсерватории IceCube

Нейтрино — нейтрально заряженная практически невесомая частица, слабо взаимодействующая с обычным веществом и поэтому трудно регистрируемая. Однако поскольку поток нейтрино чрезвычайно велик (каждую секунду наше тело пронизывают без каких-либо для нас последствий более триллиона нейтрино), проходя через толщу антарктического льда, время от времени одна из этих частиц сталкивается с протоном молекулы воды и порождает электрон или мюон с высокой энергией. Рождённая частица в свою очередь генерирует в среде черенковское излучение, регистрируемое фотоумножителями.

Схема работа обсерватории _IceCube_
Схема работа обсерватории IceCube

Для регистрации нейтрино, однако, нужны очень большие объёмы воды. Например, один из крупнейших водных нейтринных телескопов Super-Kamiokande представляет собой бак, заполненный 50 тыс. тонн воды. IceCube в качестве «резервуара» использует природный слой антарктического льда. Интересно, что регистрируются не те нейтрино, которые приходят «сверху», а те, которые пришли из-под земли. Это также позволяет значительно снизить уровень шумов: только нейтрино могут пройти сквозь Землю, не потеряв свою энергию. Своё название телескоп получил из-за того, что рабочий объём, из которого он может получать сигнал, представляет собой куб со стороной около 1 км.

Одной из основных рабочих задач телескопа IceCube было измерений потока мюонных нейтрино, идущих от Солнца, с целью обнаружить сигнал от вимпов — гипотетических частиц тёмной материи. Тёмная материя представляет собой загадочную субстанцию, существование которой удалось обнаружить только по её гравитационному воздействию. Наблюдая за вращением галактик, учёные обнаружили, что звезды на их краю вращаются вокруг центра быстрее, чем этого можно было бы ожидать на основе подсчитанной видимой массы галактики. Чтобы объяснить эту нестыковку, и была введена гипотеза существования тёмной материи. Позднее появились и другие аргументы в пользу существования значительного количества невидимого вещества.

Конечно, феномен тёмной материя не обязательно должен объясняться неизвестными науке частицами. По последним данным, полученным космической обсерваторией «Планк», на долю тёмной материи приходится около 26,8% общей массы Вселенной (для сравнения, обычного барионного вещества — всего 4,9%, остальная масса принадлежит таинственной тёмной энергии). Около 1% тёмной материи может быть объяснена теми же нейтрино. Ещё некоторая часть — но не более 20% — может быть связана с обычной барионной материей в виде разреженного галактического газа и так называемых массивных компактных объектов гало (MACHOMassive Compact Halo Objects), представляющих собой в основном остатки эволюции звёзд: белые и коричневые карлики, нейтронные звёзды и относительно небольшие чёрные дыры.

Существуют и довольно экзотические гипотезы, пытающиеся объяснить наблюдаемый недостаток массы в галактиках. Это в первую очередь различные попытки модифицировать ньютоновские законы тяготения на больших расстояниях. Можно упомянуть и топологические дефекты пространства-времени, зависящую от времени гравитационную постоянную и многое другое, о чём так любят помечтать физики-теоретики.

Однако наиболее реальной на данный момент представляется гипотеза о том, что тёмная материя представляет собой неизвестные пока науке частицы. Здесь также имеется много конкурирующих теорий. Одна из них предполагает существование очень тяжёлых нейтрино. Поскольку такие нейтрино до сих пор не обнаружены, то они должны быть ещё более инертными, чем обычные нейтрино, и поэтому получили название «стерильных».

Согласно другой теории, тёмная материя состоит из так называемых аксионов — частиц, введённых изначально для того, чтобы решить проблему нарушения CP-инвариантности — то есть наблюдаемого в экспериментах различия между частицами и их «альтер-эго» античастицами.

Наиболее популярными, однако, являются гипотезы, объясняющие тёмную материю так называемыми суперсимметричными частицами. Такие частицы возникают в теориях, относительно незначительно расширяющих Стандартную модель элементарных частиц. Предполагается, что большинство суперсимметричных частиц должно быть очень тяжёлыми и слабо взаимодействовать с обычным веществом. Поэтому их часто называют «вимпами» от английского WIMPWeakly Interacting Massive Particle (слабо взаимодействующая массивная частица).

Здесь нельзя не отметить находчивость учёных, придумавших названия для частиц. Английское wimp можно перевести как «слабак». А появившаяся позже аббревиатура MACHO, о которой упоминалось выше, уже своим названием и по своей сути как бы противопоставляется теории вимпов.

Так же, как и нейтрино, вимпы слабо взаимодействуют с веществом, а их количество значительно меньше, поэтому обнаружить вимпы в земных условиях очень непросто. Несмотря на это, проводится ряд экспериментов, направленных на их прямую регистрацию. Более того, один из таких экспериментов, носящий название CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) , в конце 2009 года сообщал о регистрации двух событий, похожих на детектирование вимпов. Ещё более впечатляющими стали результаты эксперимента CoGeNT (Coherent Germanium Neutrino Technology), сообщившего в 2010 году о регистрации за 56 дней работы нескольких сотен событий. Однако в обоих случаях был очень велик уровень шумов, и полученные результаты не были подтверждены независимыми группами.

Эксперимент IceCube, как и ряд других, работает по другому принципу. Он направлен на детектирование вимпов по косвенным наблюдениям. Один из видов вимпов, называемый нейтралино, взаимодействуя с протонами, находящимися на Солнце, может затормозиться и оказаться захваченным гравитационным полем нашей звезды. Накапливаясь в центре Солнечной системы, нейтралино должны начать аннигилировать друг с другом, рождая высокоэнергичные нейтрино. В частности, должны рождаться мюонные нейтрино, которые в обычном состоянии на Солнце появиться не могут. Таким образом, если бы удалось обнаружить, что от Солнца идёт больше мюонных нейтрино, чем из окружающего пространства, это служило бы косвенным доказательством существования вимпов.

У сожалению, ничего подобного засечь не удалось. И тёмная материя так и остаётся пока тёмной. Учёные, однако, не спешат унывать, продолжая свою работу как в Антарктиде, так и в других точках нашего земного шара, и даже в космосе. Так что, ждём новых данных и, возможно, новых гипотез, способных разрешить существующие противоречия.


Это авторская версия статьи, опубликованной на сайте «Радио Свобода».

comments powered by Disqus