Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Но сначала давайте разберемся с важной особенностью вим- пов: их реально обнаружить экспериментальным путем! Уже по определению понятно, что вимпы подчиняются слабому взаимодействию. Получается, они, как и нейтрино, способны иногда взаимодействовать с другими известными частицами. А раз нейтрино удалось уловить в ходе изощренных экспериментов, то же самое можно проделать и с вимпами. Именно поэтому разнообразные эксперименты по всему миру нацелены на поиск этих частиц. Ученые ждут, пока слабое взаимодействие вынудит вимпы подать сигнал детекторам. Так они смогут выяснить, что же все-таки такое темная материя. А такое открытие точно заслуживает Нобелевской премии.
Искать вимп-частицы довольно непросто, ведь мы не знаем наверняка, что ищем, а кандидатов много. Поэтому задействованы разные эксперименты для поиска различных характеристик. Увенчается ли поиск успехом? Некоторые утверждают, что уже видели вимпы. Давайте посмотрим, как проходит эта глобальная охота на слабодействующие массивные частицы.
Охота на столкновения вимпов
Знаете, бывают такие карусели, похожие на чайные чашки. Вся конструкция напоминает кусочки торта, а люди садятся в так называемые чашки. Эти кабинки-чашки установлены на вращающейся по кругу платформе, и каждая кабина может на радость пассажирам еще и вращаться вокруг собственной оси. Незабываемые ощущения достигаются благодаря одновременному вращению: сначала платформа-основа обеспечивает вращение по большому кругу, а потом подключаются чашечки с вращением по малому.
Ну и конечно, я не просто так вспомнил о каруселях, дело в том, что это прекрасная аналогия астрофизического явления: движение кабинки-чашки очень похоже на движение Земли в Млечном Пути. Во-первых, сам Млечный Путь и все его звезды обращаются вокруг центра, как платформа-основа. Кроме того, Земля обращается вокруг Солнца, прямо как кабинки карусели.
Вернемся к нашим чашкам. Если вы катались на такой карусели, то наверняка обратили внимание на сильные потоки ветра. Иногда оба вращения — по малому и большому кругам — будут однонаправленными. Тогда порывистый ветер точно испортит вам укладку. А в моменты, когда кабинка и карусель вращаются в противоположные стороны, ветер будет гораздо слабее. Каждый раз при вращении кабинки ветер будет усиливаться, когда оба движения направлены в одну сторону, и ослабевать, когда вращения тянут вас в разных направлениях.
То же самое касается Земли. Иногда танец Земли вокруг Солнца совпадает с вращением Солнечной системы в Млечном Пути, а иногда нет. Когда вы кружились в кабинках-чашечках, то, возможно, заметили, как ветер усиливался или ослабевал в зависимости от того, совпадает направление вращений или нет. Когда Земля вращается в Млечном Пути, то тоже можно наблюдать своего рода ветер — ветер из темной материи. Ведь, как вы, возможно, помните, считается, что нашу Галактику окружает огромное облако темной материи. А из-за эффекта карусели Земля пролетает мимо него с различными скоростями в зависимости от времени года. Быстрее всего Земля будет двигаться сквозь гало темной материи в мае-июне и медленнее всего — в ноябре-декабре.
Кабинки-чаинки: счастливые посетители ярмарки, которые катаются на карусели, — хорошая аналогия движения Земли по Млечному Пути.
Поскольку темная материя просто проходит сквозь Землю, не сталкиваясь с ней, поток ветра из частиц темной материи никого с ног пока не сбивал. Но если темная материя состоит из частиц WIMP, которые участвуют в слабом взаимодействии, то они должны хоть иногда сталкиваться с ядрами атомов на Земле. И, как я отмечал ранее, чем выше скорость вимпов, тем больше вероятность столкновения. Если темная материя — это WIMP, то в мае следует ожидать большего количества столкновений, чем в ноябре. Группа исследователей полагает, что именно этот эффект изменения ветра WIMP они наблюдали глубоко под горой в Италии.
 
Если пару часов ехать в северо-восточном направлении от Рима, то окажешься у горы Гран-Сассо. Там под полутора километрами горной породы скрывается огромная физическая лаборатория. В этой подземной лаборатории проводят различные эксперименты в области физики элементарных частиц. И, конечно, подобные эксперименты проводятся глубоко под землей не просто так. Гора здесь выполняет роль щита и прикрывает лабораторию от космических лучей. Гран-Сассо — идеальное место для размещения самых чувствительных детекторов, которые ищут едва уловимые сигналы от сталкивающихся частиц, например, от ветра WIMP.
DAMA/LIBRA — один из экспериментов лаборатории Гран-Сассо. Снаружи она выглядит как большой бетонный куб размером в несколько метров. За толстым бетоном скрыты массивные свинцовые стены. Внутри находится защищенный от окружающей среды сверхчувствительный детектор частиц.
Детектор сделан из материала, который при столкновении с частицей, например WIMP, провоцирует небольшую вспышку света. Несмотря на наличие нескольких слоев защитной породы, бетона и свинца, здесь по-прежнему существуют различные типы известных частиц земного происхождения, и они тоже способны приводить к вспышкам света. Поэтому, видя вспышку света от детектора, ученые не могут точно сказать, виновата ли в этом темная материя или другие частицы. Но если изучить количество вспышек света в детекторе за несколько лет, то есть шанс все же увидеть следы ветра вимпов в Млечном Пути. Если некоторые из вспышек света вызваны столкновениями частиц темной материи, то в мае столкновений должно быть немного больше, чем в ноябре.
35C0 лооэ <4500 5C03
Вспышки света в эксперименте. По оси ординат мы видим, как количество световых вспышек колеблется вверх и вниз вокруг среднего значения. По оси абсцисс — количество дней. Крестиками показаны измерения для эксперимента. Изогнутая линия показывает, чего ожидается от сигнала темной материи. На рисунке отражены данные за семь лет сбора, и мы ясно видим семь колебаний. Может, это ветер от вимпов?
Именно такой эффект ожидают увидеть исследователи, стоящие за экспериментом DAMA/LIBRA. Проанализировав данные за семь лет, они пришли к выводу, что каждый год в мае вспышек света на несколько процентов больше, чем в ноябре. Неужели они обнаружили следы быстрых потоков ветра с частицами вимп? Под горой в Италии проявился эффект карусели? Получается, они увидели темную материю? Как заявляет сама исследовательская группа — да. Но большинство других ученых настроены недоверчиво.
Нет никаких сомнений в том, что результаты эксперимента DAMA/LIBRA носят сезонный характер. Достаточно взглянуть на график выше. Вот только не факт, что причина этой сезонности — темная материя. Некоторые исследователи обратили внимание и на другие сезонные явления, которые, по их мнению, объяснят результаты эксперимента и без темной материи.
Например, есть версия, что сигнал исходит от мюонов, сталкивающихся с детектором. Мюоны создаются в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки космическими лучами. Сколько таких мюонов падает на Землю, зависит от температуры воздуха, а температура воздуха, как известно, в течение года меняется.
Однако самая большая проблема с DAMA/LIBRA заключается в том, что никакие другие эксперименты не смогли воспроизвести их результаты. Правда, никаких других экспериментов, где проводились бы точно такие же измерения с тем же типом детекторов, что и в DAMA/LIBRA, не осуществлялось. Но если вимпы — это темная материя и если при этом вимп не ведет себя сверхъестественным образом, решив сталкиваться исключительно с детектором в DAMA/LIBRA, тогда другие эксперименты должны подтвердить результаты DAMA/LIBRA. Пока этого не произошло.
Под землей проводится немало экспериментов по поиску столкновений с темной материей, и постоянно запускаются новые, все более точные. Некоторые из самых точных на момент написания книги результатов были получены в ходе эксперимента LUX, который проводится в США в шахте полуторакилометровой глубины. LUX — это аббревиатура от английского Large Underground Xenon experiment (Большой подземный ксеноновый эксперимент). Ксенон относится к так называемым благородным газам, которые не вступают в химические реакции с другими веществами. Во время эксперимента ксенон охладили до температуры около -100 °C, отчего он стал жидким. При столкновении частицы с атомами ксенона образуется как вспышка света, так и электрон. И все это зафиксирует детектор. Пока LUX ничего похожего на частицу темной материи не наблюдал. Если эксперимент DAMA/LIBRA действительно обнаружил темную материю, то LUX тоже должен был что-то зафиксировать. Большинство физиков сегодня считают, что ошибку допустили, скорее, в эксперименте DAMA/LIBRA, а не LUX.