Исследователи в подземной лаборатории на глубине 1,5 километра зарегистрировали взаимодействие атома ксенона с неизвестной частицей, которое может оказаться следом темной материи.
В подземном исследовательском центре Сэнфорд (Sanford Underground Research Facility), расположенном в бывшей золотой шахте в Южной Дакоте, международная коллаборация ученых зафиксировала событие, которое может стать первым прямым свидетельством существования темной материи. В ходе эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) детектор, заполненный 10 тоннами жидкого ксенона, зарегистрировал редкое взаимодействие — так называемую ядерную отдачу. По словам исследователей, это может быть столкновение атома ксенона со слабо взаимодействующей массивной частицей (WIMP) — одним из главных кандидатов на роль частицы темной материи. Однако ученые подчеркнули, что для подтверждения открытия необходим не один, а множество таких сигналов.
Что такое темная материя и зачем ее ищут
Темная материя — одна из главных загадок современной физики. Она не излучает и не отражает свет, что делает ее невидимой для телескопов. Однако астрономы давно заметили: движение галактик и звезд необъяснимо без наличия дополнительной массы, которую невозможно увидеть.
Как пояснил заведующий отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН Дмитрий Вибе в интервью НСН, темная материя — это гипотетическое вещество, которое было предложено для объяснения непонятных свойств движения галактик во Вселенной. Движение выглядит так, словно помимо видимой массы существует еще некая масса, которую мы принципиально не можем увидеть. Когда эта материя появляется в моделях, она очень хорошо объясняет эти аномалии и позволяет закрыть еще некоторые вопросы, но при этом остается гипотезой.
Согласно современным космологическим данным, полученным, в частности, в результате миссии Planck, обычная материя составляет лишь около 5% от всего содержимого Вселенной. Остальное приходится на темную материю (примерно 27%) и темную энергию (около 68%). Без темной материи галактики не смогли бы сформироваться и удерживаться в своем нынешнем виде. Ее иногда называют «космическим клеем», который помогает структурам во Вселенной оставаться стабильными.
Вице-директор Объединенного института ядерных исследований Владимир Кекелидзе пояснил НСН:
«Сейчас нами изучено лишь 5%, остальные 90-95% непонятой материи нам нужно понять. К чему это приведет — никто не знает».
Эксперимент LUX-ZEPLIN: как ищут неуловимое
Эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ) проводится на глубине около 1,5 километра в подземном исследовательском центре Сэнфорд, который находится на месте бывшей золотой шахты в районе Блэк-Хиллз, Южная Дакота. Детектор находится в ведении Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли при Министерстве энергетики США. Такая глубина необходима, чтобы защитить прибор от космических лучей и других источников фонового излучения, которые могли бы дать ложные сигналы.
Сердце эксперимента — цилиндрический детектор, заполненный 10 тоннами жидкого ксенона. Ученые ищут столкновения частиц темной материи с атомами ксенона. При гипотетическом взаимодействии должна возникать слабая вспышка света — сцинтилляция, по характеристикам которой можно определить тип частицы.
Как отметил Дмитрий Вибе, много усилий предпринимается для того, чтобы поймать те частицы, которые могут составлять темную материю. Однако пока все поиски безуспешны. Российские ученые также участвуют в поиске темной материи — как в экспериментах в ЦЕРНе, так и на ускорителях в России.
Что зафиксировали ученые
В ходе эксперимента LZ исследователи зарегистрировали единичное событие ядерной отдачи — взаимодействие, которое выглядит именно так, как должно выглядеть столкновение со слабо взаимодействующей массивной частицей (WIMP). Это один из главных кандидатов на роль частицы темной материи.
Специалист по физике частиц Сэм Эриксен из Бристольского университета, ведущий автор исследования, сказал Reuters, что это «может быть первым намёком на наблюдение тёмной материи». Однако он подчеркнул: «Важно отметить, что, поскольку это единичный случай, мы не утверждаем, что это тёмная материя».
Соавтор исследования, астрофизик Элвин Камаха, в комментарии Reuters добавила: «Возможно, мы столкнулись с чем-то экстраординарным, однако, прежде чем делать выводы, мы должны провести исключительно тщательный анализ». Сейчас ученые работают над тем, чтобы исключить другие возможные объяснения зафиксированного события.
Что говорят российские ученые
Российские физики также активно участвуют в поисках темной материи. Как рассказал Владимир Кекелидзе, подобные эксперименты проводятся и в России.
«Есть темная материя и есть темная энергия — это те вещи, которые пока не очень поняты. Поисков много, но пока те вещи, которые наблюдают, оказываются не связаны с темной материей и темной энергией, — отметил он в интервью НСН. — Ищут в том числе и в космосе, и здесь, в столкновении элементарных частиц. Российские ученые участвуют в частности в ряде проектов, в которых есть потенциал поиска темной материи. Эти эксперименты идут как в ЦЕРНе, в которых участвовали российские ученые, так и на ускорителях в России».
По словам Владимира Кекелидзе, пока все, что находят в ходе различных экспериментов, как правило, не имеет отношения к темной материи. Однако каждый новый результат, даже если он не подтверждается, помогает сузить круг поиска и лучше понять устройство Вселенной.
Почему это важно
Открытие частиц темной материи станет революцией в физике. Это подтвердило бы существование новой, неизвестной науке формы материи и объяснило бы, почему галактики движутся так, а не иначе. Кроме того, это открыло бы путь к пониманию того, как формировалась Вселенная и какие силы управляют ее развитием.
«Каждую секунду через наши тела могут пролетать миллионы частиц тёмной материи, но почти ни одна из них никогда не вступит во взаимодействие с атомами в наших телах», — отметила Элвин Камаха.
Именно это делает поиск темной материи таким сложным: она взаимодействует с обычным веществом настолько слабо, что зафиксировать это взаимодействие можно лишь в исключительных случаях и в условиях практически полной изоляции от внешних помех.
Исследователи продолжают анализ данных и планируют новые запуски детектора. Для подтверждения обнаружения темной материи необходимо зафиксировать не один, а множество подобных событий со статистически значимой уверенностью. Как отметил Сэм Эриксен, важно понимать, что единичный случай не позволяет делать окончательных выводов. Пока это лишь интересный сигнал, требующий проверки.
В любом случае, даже если единичное событие не подтвердится, эксперимент LUX-ZEPLIN уже дает ученым ценные данные, помогая лучше понять природу фундаментальных взаимодействий и исключать все новые гипотезы о том, чем может быть темная материя.
