Физики хотят получить темную материю в заброшенной шахте

В заброшенном золотом руднике, расположенном в одной миле от города Лид, штат Южная Дакота, инженеры и физики из Университета Висконсин-Мэдисон работают над созданием камеры, содержащей 10 тонн жидкого ксенона. Они надеются, что в подземной шахте, где экспериментальное пространство будет защищено от солнечных частиц и космического излучения, они смогут впервые обнаружить темную материю. 

Мы уже публиковали подробный разбор того, чем может являться загадочная темная материя с точки зрения современной физики. Первоначальная гипотеза появилась еще в 1930-х годах, когда астрономы поняли, что у галактики недостает силы гравитации для того, чтобы сохранять свою структуру только за счет видимых ее источников — звезд, планет, черных дыр и т. п. Непосредственно саму темную материю до сих пор обнаружить не удавалось, ее существование было выведено лишь с помощью гравитационных математических моделей. Однако астрономы полагают, что на самом деле во Вселенной темной материи может быть в пять раз больше, чем видимой. Команда UW-Madison решила положить конец этой неопределенности.

Эксперимент на золотых приисках Южной Дакоты называется LUX-ZEPLIN, или LZ для краткости. Он является расширенной версией предыдущего эксперимента Large Underground Xenon (LUX) и программы темной материи ZEPLIN. Идея состоит в том, чтобы обнаружить частицу темной материи в момент, когда она взаимодействует с атомом ксенона, вызывая цепную реакцию в камере, которая в результате произведет выброс ультрафиолетового света и выпустит шквал электронов. Сразу после того, как жидкий ксенон загорится, газообразный ксенон в камере над ним отреагирует выделением электронов и выпустит второй, более яркий импульс света. Физики, работающие над проектом, описывают его как «звонок», который будет звенеть, когда на него воздействует частица темной материи.

«Частицы темной материи могут быть прямо здесь, в комнате, проходя сквозь вашу голову и, возможно, изредка сталкиваясь с некоторыми атомами», — сказал в пресс-релизе Дункан Карлсмит, профессор физики в UW-Madison.

Ранее в этом месяце Министерство энергетики утвердило заключительные этапы строительства ЛЗ на золотом руднике, официально названном Санфордским подземным исследовательским центром. Тем временем, исследователи работают с меньшим прототипом устройства, чтобы гарантировать, что когда «большой» LZ будет запущен в 2020 году, он не будет восприимчив к помехам.

Чтобы убедиться, что ничто, за исключением темной материи, не взаимодействует с жидким ксеноном, команда строит две внешние камеры, предназначенные для обнаружения и удаления любых загрязняющих частиц. Камера будет заполнена 10 тоннами жидкого ксенона, и более 500 фотоумножителями — вакуумными трубами, которые являются ультрачувствительными световыми детекторами и будут контролировать LZ. Если что-то кроме темной материи нарушит покой ксенона, детекторы должны будут показать, что это ложная тревога.

Как только установка в подземной шахте будет готова, а эксперимент запущен, останется только ждать. Физики будут искать слабо взаимодействующие массивные частицы, или WIMP, которые являются гипотетическими «строительными блоками» темной материи. Считается, что большую часть времени WIMP проходят через обычную материю без каких-либо следов, но могут время от времени сталкиваться с обычными частицами.

LZ останется включенным, по крайней мере, в течение пяти лет, однако все надеются, что ему удастся впервые обнаружить WIMP или иным образом исключить их как эфирное вещество, составляющее темную материю. Другие эксперименты в Центре астрофизики частиц Висконсина IceCube, а также проекты в Италии и Китае проводят свои эксперименты по поиску прямых доказательств существования темной материи. Физики UW-Madison также используют Большой адронный коллайдер в попытке обнаружить темную материю, которая создается при столкновениях высокоэнергетических частиц. Гонка первооткрывателей темной материи в самом разгаре!

Если мы сможем найти и измерить это вещество, мы достигнем большего понимания принципов работы Вселенной, чем когда-либо прежде. Вполне возможно, что темная материя составляет более 25 процентов всего космоса, и как только мы обнаружим специфические свойства материала, она может открыть секреты, которые долгое время оставались от нас скрытыми.