Предел возможностей

Детектор LUX не нашел частиц темной материи и подходит к пределу чувствительности

Гнезда для фотоумножителей детектора LUX. Фото: C.H. Faham

Американский детектор LUX искал частицы, из которых может состоять темная материя, и ничего не нашел. Значит ли это, что таких частиц нет и можно ли начинать сомневаться в существовании темной материи, «Чердаку» рассказал доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ОИЯИ Дмитрий Казаков.

Хотя темную материю никто никогда не видел и уж тем более не щупал, ученые не сомневаются, что она есть. Во-первых, данные о вращении галактик и звезд в них показывают, что это вращение происходит быстрее, чем можно было бы ожидать, учитывая в расчетах только видимую материю. Наиболее естественным объяснением этому является существование темной материи.

«Темной она называется, потому что не светится ни в каком диапазоне. В Солнечной системе этой материи очень мало, а в масштабе Галактики — достаточно много. За пределами Млечного Пути ее снова нет, потому что она гравитационно удерживается в Галактике, образуя ее гало», — объяснил Казаков.

Другое свидетельство — это так называемые гравитационные линзы. Если свет от звезды проходит мимо большого скопления темной материи, то луч света искривляется и образуется линза — светящееся кольцо вокруг темной материи.

Принцип действия гравитационной линзы. Оранжевые стрелки показывают видимое положение удаленного источника. Белые стрелки показывают путь света от истинного положения источника
Принцип действия гравитационной линзы. Оранжевые стрелки показывают видимое положение удаленного источника. Белые стрелки показывают путь света от истинного положения источника. Иллюстрация: NASA


Кроме того, темная материя также требуется, чтобы правильно описать температурные флуктуации фонового микроволнового излучения, оставшегося с самых ранних стадий существования Вселенной.

По расчетам ученых, материя составляет только около 30% от общей массы-энергии во Вселенной. Из них 5% — это обычная материя, а все остальное — темная. Оставшиеся 70% — это гипотетическая темная энергия, ответственная за расширение Вселенной.

«Предположительно темная материя состоит из частиц. Можно было бы вообразить, например, что это потухшие звезды, но данные об этом не свидетельствуют», — пояснил Казаков.

Откуда взялись вимпы

Самый популярный кандидат на роль частиц темной материи — это вимпы (слабо взаимодействующие массивные частицы от англ. weakly interacting massive particles — WIMP).

«Поскольку частицы темные, они не могут взаимодействовать электромагнитно, иначе они бы светились. Они не могут взаимодействовать сильно, потому что тогда бы они «слипались» в компактные объекты. Остается либо слабое взаимодействие, либо гравитационное. В гравитационное взаимодействие они точно вступают, раз у них есть масса. Но в таком случае темную материю очень сложно обнаружить в виде частиц. А если они участвуют в слабом взаимодействии, тогда их можно детектировать по взаимодействию с веществом», — рассказал Казаков.

Бочка с ксеноном

Детектор LUX расположен в шахте старого золотого рудника. Это огромный резервуар, заполненный жидким ксеноном. Вимпы, пролетающие через резервуар, и ядра ксенона должны сталкиваться и отскакивать друг от друга. Этот отскок ученые и пытаются измерить.

Установка детектора LUX
Установка детектора LUX. Фото: P. Phelps


Однако у LUX, как и у схожего по принципу действия детектора XENON в Европе, есть предел. «Эксперименты проводятся глубоко под землей, чтобы убрать фон. Тем не менее есть фон, который убрать нельзя, — это нейтрино. Сейчас эти эксперименты очень близко подошли к уровню нейтринового фона, и, если они ничего не найдут до того, как его достигнут, дальше они станут бесполезны», — рассказал физик.

Другие кандидаты

Искать вимпы можно не только на ксеноновых детекторах. Например, поиски ведутся на Большом адронном коллайдере. В области больших масс ускорители уступают таким экспериментам, как LUX и XENON, а в области легких масс, наоборот, выигрывают. Если же и они не найдут вимпов, на роль частиц темной материи есть и другие кандидаты — частицы, которые взаимодействуют только гравитационно, и суперлегкие частицы аксионы.

«Но WIMP — это наш самый удачный кандидат, потому что такие частицы, если они существуют, можно получать и изучать на ускорителях. Как изучать других кандидатов, пока непонятно», — отметил Казаков.
Теги:

Читать еще на Чердаке: