Физики планируют подтвердить наличие темной материи новыми сверхчувствительными детекторами

Физики проводят множество опытов, чтобы дать неуловимой темной материи последний шанс проявить себя. На протяжении десятилетий ученые выдвигали гипотезу о том, что гипотетические слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP) являются основными кандидатами на роль темной материи - таинственного вещества, составляющего 85% массы Вселенной.

Но многочисленные эксперименты не смогли найти доказательств существования WIMP. Это означает, что их свойства отличаются от первоначально предсказанных (если эти частицы вообще существуют). Теперь исследователи настаивают на создании последнего поколения сверхчувствительных детекторов или одного совершенного детектора, который не позволит частицам спрятаться.

Научные теории

Ученые давно предсказали, что невидимое вещество, которое имеет массу, но не взаимодействует со светом, пронизывает Вселенную. Гравитационные эффекты темной материи могли бы объяснить, почему вращающиеся галактики после образования не разрываются на части. Также они могли бы объяснить неравномерную картину, наблюдаемую в микроволновом «послесвечении» ранней Вселенной.

WIMP стали наиболее популярными кандидатами на роль темной материи в 1980-х годах. Большинство ученых предсказывают, что они будут в 1–1000 раз тяжелее протонов и будут слабо взаимодействовать с веществом из-за слабого ядерного взаимодействия, которое отвечает за радиоактивный распад (или чего-то еще более слабого).

Переохлажденный ксенон

В ближайшие месяцы начнутся работы трех существующих подземных детекторов - в США, Италии и Китае. Они будут искать частицы темной материи путем выявления взаимодействий в переохлажденных чанах с ксеноном. Используя метод, отточенный более десяти лет назад, эти детекторы будут отслеживать характерные вспышки света, когда ядра отскакивают после взаимодействия с частицами темной материи.

Физики надеются, что эти эксперименты или конкурирующие с ними детекторы WIMP, в которых используются германий и аргон, помогут впервые обнаружить темную материю.

Эти эксперименты, вероятно, будут последним поколением в своем роде, потому что они будут настолько чувствительны, что достигнут «нейтринного дна» - естественного предела, за которым темная материя будет так слабо взаимодействовать с ядрами ксенона, что ее обнаружение будет затруднено из-за нейтрино, которые почти не взаимодействуют с материей.

Наиболее продвинутым из этих опытов является запланированный эксперимент под названием DARWIN. Детектор, оценочная стоимость которого составляет от 100 до 150 миллионов евро, разрабатывается Международной коллаборацией XENON, которая проводит один из трех экспериментов, начатых в этом году. Это 6-тонный детектор под названием XENONnT, над которым работают в Национальной лаборатории Гран-Сассо недалеко от Рима. DARWIN будет содержать почти в десять раз больше ксенона.

Глобальный эксперимент

Наука объединяет ученых со всего мира. Этот проект также включен в национальную дорожную карту Швейцарии для будущей научной инфраструктуры, а Министерство научных исследований Германии опубликовало призывы к финансированию специально для исследований, связанных с DARWIN. Эти шаги предполагают, что эти страны в будущем будут вносить дополнительные денежные средства. И хотя DARWIN еще официально не имеет места постоянного размещения, он может оказаться на Гран-Сассо. В апреле лаборатория официально предложила представить отчет о концептуальном дизайне к концу 2021 года.

Совместные работы

Хотя DARWIN в настоящее время руководит коллаборацией XENON, Баудис надеется, что китайские коллеги, которые в этом году начинают эксперимент под названием PandaX-4t, или команда, участвующая в американском эксперименте с ксеноном под названием Lux-Zeppelin, могут присоединиться к ним для создания единого «окончательного» детектора. Эти группы также рассматривали возможность проведения экспериментов, которые позволили бы им достичь нейтринного этажа. Но цель ученых состоит в том, чтобы провести один большой глобальный эксперимент с темной материей на основе ксенона.

Физикам не остается ничего другого, кроме как объединиться из-за необходимости использовать огромное количество ксенона. Благородный газ трудно получить в больших количествах из-за энергоемкого процесса, необходимого для его извлечения из воздуха, а также из-за конкурирующего спроса со стороны электронной, осветительной и космической промышленности. Один килограмм может стоить более 2500 долларов США. Для эксперимента необходимо 50 тонн. Следует отметить, что за год в мире производится всего 70 тонн ксенона. Даже если все 3 существующих детектора объединят свои запасы, то получат всего 25 тонн. В ходе будущего эксперимента необходимо будет закупать оставшуюся часть партиями в течение нескольких лет.

Ученые, которые собираются провести аналогичный эксперимент по поиску темной матери при помощи аргона, также надеются построить детектор, который достигнет нейтринного дна. Эксперимент, известный под названием ARGO, вероятно, начнется в 2029 году. Ожидается, что он сможет подтвердить любой сигнал, обнаруженный DARWIN.

Почему WIMP

Эти частицы были в центре внимания десятков ученых, потому что есть веские теоретические доказательства их существования. Частицы не только объясняют, почему кажется, что галактики движутся именно так. Их существование также согласуется с теориями физики элементарных частиц. Теории (известные как суперсимметрия), разработанные в 1970-х годах для заполнения дыр в стандартной физической модели элементарных частиц и их взаимодействий, предсказывают существование частиц, подобных WIMP. Когда физика элементарных частиц моделирует раннюю Вселенную, физики обнаруживают, что частицы с подобными WIMP свойствами сохраняются в количестве, достаточном для того, чтобы соответствовать наблюдаемому сегодня количеству темной материи.

Но нулевые результаты (от прямых детекторов темной материи и от ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер) означают, что WIMP не взаимодействуют с материей или их масса находится на самом низком уровне первоначальных прогнозов, конечно, если они вообще существуют. Неспособность обнаружить WIMP заставила физическое сообщество задуматься над их статусом. Многие ученые сейчас ищут других кандидатов на темную материю. При этом используются небольшие и более дешевые эксперименты.