Что-то во внутренней структуре Вселенной ускользает от понимания ученых

«Мы все ищем и ждем чего-то, может быть, вот сейчас, еще немного данных, которые приведут к моменту истину, — говорит Гарри Нельсон, профессор физики из Калифорнийского университета в Санта-Крус, научный руководитель обновленного проекта LUX под названием LUX-ZEPLIN. — Мысль о том, что есть что-то, что мы просто пока не понимание и не знаем, пробирает до мурашек».

Ученые давно знают, что где-то в космосе есть темная материя, молча управляющая движением и структурами Вселенной. Но из чего на самом деле состоит темная материя? На что похожи ее частицы? Это остается загадкой, и опыт за опытом оставляет ученых с пустыми руками: ученые просто не могут поймать эти неуловимые частицы. Хотя регулярно появляются намеки.

При определенном везении эта ситуация может измениться. С чувствительностью, в десять раз превышающей чувствительность предыдущих детекторов, три недавно запущенных эксперимента по обнаружению темной материи заставили ученых скрестить пальцы и надеяться, что они, наконец, смогут поймать частицы темной материи. Ученые работают над этим, но признают, что успех или неудачу их работы может определить только природа.


На прошлой неделе, изучая данные, собранные космическим аппаратом XMM-Newton, команда ученых наблюдала странный всплеск рентгеновского излучения, пришедшего от двух разных небесных объектов — галактики Андромеда и скопления галактик Персей. Всплеск не принадлежит ни одному из известных частиц или атомов, а значит, наводит на мысли о темной материи в качестве источника.

    «Распределение сигнала в галактике в точности соответствует тому, что мы ожидали увидеть в случае с темной материей, то есть сконцентрированное и интенсивное событие в центре объектов и слабое и диффузное по краям», — писал соавтор работы Олег Ручайский.

«Природа скромничает, — говорит Энектали Фигероа-Фелисиано, адъюнкт-профессор физики Массачусетского технологического института, работающий над одним из трех новых экспериментов. — Есть что-то во внутренней структуре работы Вселенной, чего мы просто не понимаем. Когда теоретики расписывают все возможные методы взаимодействия темной материи с нашими частицами, они приходят к выводу, что в простейших моделях мы должны были уже ее увидеть. А раз мы еще ничего не нашли, есть что-то, что еще только предстоит расшифровать».

Первый из новых экспериментов, Axion Dark Matter eXperimetn, будет искать теоретический тип частицы темной материи — аксион. ADMX будет искать доказательства того, что эти чрезвычайно легкие частицы преобразуются в фотоны в мощном магнитном поле. Медленно изменяя магнитное поле, детектор будет пытаться зафиксировать массу одного аксиона одновременно.

    «Мы продемонстрировали, что у нас есть инструменты, необходимые, чтобы увидеть аксионы, — заявил Грей Рыбка, научный сотрудник Вашингтонского университета, один из руководителей эксперимента ADMX Gen 2. — С Gen 2 мы приобретаем мощный, очень мощный холодильник, который очень скоро прибудет. Как только он прибудет, мы сможем сканировать очень, очень быстро и у нас будут хорошие шансы найти аксионы — если они, конечно, будут».

Два других новых эксперимента будут искать другой тип теоретической темной материи — WIMP, вимпы. Будучи слабо взаимодействующими массивными частицами, вимпы взаимодействуют с нашим миром крайне слабо и очень редко. Эксперимент LUX (Large Underground Xenon), который начал работу в 2009 году, сейчас находится в стадии модернизации — повышает чувствительность для обнаружения вимпов. Между тем, коллаборация Super Cryogenic Dark Matter Search, которая ищет сигналы легковесных вимпов на своем детекторе с 2013 года, уже заканчивает проект нового эксперимента, который расположится в Канаде.

    «В некотором смысле мы ищем золото, — поделился мыслями Фигероа-Фелисиано, член эксперимента SuperCDMS. — У Гарри есть кастрюля, и он ищет золото в глубоком пруду, мы ищем его в пруду немного поменьше, а Грей — чуть выше по течению, копается на своем месте. Мы не знаем, кто найдет золото, потому что не знаем, где оно находится».

Рыбка соглашается, но добавляет, что есть вероятность того, что все три эксперимента найдут темную материю. «Нет никаких гарантий того, что темная материя должна состоять из одного типа частиц. Темная материя на треть может состоять из аксионов, на треть из тяжелых вимпов и на треть из легких вимпов. Было бы хорошо найти все элементы».

Только вот золотой самородок, который ищут все три эксперимента, стоит очень дорого. И хотя поиск сложен, все три ученых соглашаются, что он стоит свеч, потому что открытие темной материи позволит нам пересмотреть очень многое в нашей Вселенной.