Темная материя может таиться на низкоэнергетических рубежах — есть доказательство

Таинственные эффекты в новом поколении детекторов темной материи могут предвещать революционное открытие. На протяжении последнего года ученые, работающие с этими детекторами, вдруг неожиданно стали фиксировать увеличение, или избыток, количества низкоэнергетических воздействий.

Даже после десятилетий, проведенных в кропотливых поисках, ученым так и не удалось найти ни одной частицы темной материи. Ученые приводят практически «железные» доказательства существования этой формы материи, однако на сегодняшний день так и не удалось определить, из чего, собственно, она состоит. На протяжении нескольких десятилетий физики придерживались гипотезы, что темная материя тяжелá и состоит из так называемых слабовзаимодействующих массивных частиц — вимпов, которых будто бы можно легко обнаружить в лабораторных условиях.

Однако, несмотря на многолетние кропотливые исследования, ученым пока не удалось обнаружить вимпы. И физики взялись за поиск с еще бóльшим энтузиазмом. По мере того, как исследователи проводят все новые, более точные эксперименты, накапливая все больше данных, происходит переоценка гипотез, проливающих свет на то, каким образом можно было бы с помощью детекторов улавливать частицы темной материи, которые по массе легче протона. И вот в начале этого года на сервере препринтов arXiv. org были опубликованы две работы, которые стали символом перемен в физике. В этих статьях авторы впервые предлагают сосредоточить усилия на поиске плазмонов (коллективных перемещений электронов в веществе), производимых темной материей.

Первая из работ была написана группой ученых, специализирующихся на исследовании темной материи в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб) в г. Батавии, штат Иллинойс, а также специалистами из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне и из Чикагского университета. Ученые выдвинули гипотезу, согласно которой генерировать плазмоны способна темная материя малой массы, — а эти частицы можно уловить с помощью некоторых детекторов. Вдохновленные этой новаторской в своем роде статьей, физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего Тонгян Лин (Tongyan Lin) и Джонатан Козачук (Jonathan Kozaczuk) подсчитали вероятность, с которой детекторы способны уловить темную материю малой массы.

«Мы кричим: „Плазмон, плазмон, плазмон!", ведь именно это интригующее явление, по нашему мнению, поможет нам объяснить эксперименты с темной материей», — заявил соавтор первой из статей и специалист по темной материи Гордан Крнджайч (Gordan Krnjaic) из Фермилаб и Института космологической физики им. Кавли при Чикагском университете. Специалисты в области физики элементарных частиц вместе с астрофизиками вот уже на протяжении десятилетия размышляют над задачей обнаружения темной материи малой массы. Но до сих пор никто из них не занимался поиском плазмонов (а плазмоны знакомы, скорее, химикам и материаловедам), которые являются идентификаторами, опознавательными знаками, темной материи.

«Думаю, это здорово», — восклицает Йонит Хохберг (Yonit Hochberg), физик-теоретик из Еврейского университета в Иерусалиме, прокомментировавшая результаты, полученные командой Крнджайча (правда, Йонит не принимала непосредственного участия ни в одной из упомянутых статей). «Тот факт, что существуют [плазмоны], которые способны действовать каким-то неизвестным нам образом, является, по моему мнению, чрезвычайно важным результатом, который действительно требует дальнейшего изучения».

Некоторые ученые с большим скепсисом смотрят на результаты первой из опубликованных статей. Как выразилась, например, Кэтрин Зурек (Kathryn Zurek), специалист по изучению темной материи из Калифорнийского технологического института, упомянутая статья «не совсем меня убеждает», и добавила: «Я просто не понимаю, как это работает». (Добавим, что Зурек тоже не принимала участия в написании этих статей).

В свою очередь, один из соавторов первой статьи Ноа Курински (Noah Kurinsky), который занимается экспериментальной деятельностью в области изучения темной материи в Фермилаб и в Институте космологической физики им. Кавли, полагает, что в самом факте критики со стороны специалистов вообще нет ничего необычного. «Мы поставили перед ними задачу: доказать, что мы не правы. А это, я считаю, в высшей степени пойдет на пользу исследованиям, которые ведутся в этой области физики. Именно это они и должны пытаться сделать», — утверждает Курински.

Объединить усилия

Охота за невидимой материей, которая почти не оставляет никаких следов, обычно происходит примерно так: чтобы обнаружить частицы темной материи, физики берут кусок некоего материала, помещают его где-то глубоко под землей, подключают к аппаратуре, а затем ждут в надежде зафиксировать сигнал. В частности, ученые надеются, что частица темной материи ударит прямо в детектор, в результате чего появятся электроны, фотоны или даже выделится тепло, которое можно зафиксировать аппаратурой.

Теоретические подходы к обнаружению темной материи были изложены еще в статье, датируемой 1985 годом; в ней рассказывалось о том, каким образом детектор нейтрино может быть перепрофилирован для поиска частиц темной материи. Как было показано в той статье, влетающая частица темной материи способна попасть по атомному ядру вещества, из которого сделан детектор, и придать ему импульс, подобно тому, как один бильярдный шар, сталкиваясь с другим, придает импульс последнему из них. В результате этого столкновения темная материя, достаточно сильно ударив по ядру, сообщила бы импульс, в результате чего вылетит электрон или фотон.

При высоких энергиях всё получается здорово. Атомы в детекторе можно рассматривать как свободные частицы, дискретные и не связанные друг с другом. Однако при более низких энергиях картина меняется.

«Но детекторы не состоят из свободных частиц, — замечает соавтор первой статьи Йонатан Кан (Yonatan Kahn) из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне, занимающийся теоретическими исследованиями темной материи. — Они просто сделаны из вполне определенного материала. И вы поэтому должны иметь всю информацию об этом материале, если хотите понять, как именно в действительности работает ваш детектор».

Внутри детектора частица темной материи малой массы все еще будет передавать импульс, но в результате удара остальные частицы не разлетятся как шары в бильярде, а начнут колебаться. Другими словами, здесь больше подойдет аналогия с мячом для пинг-понга.

«Как только мы переходим к темной материи более низкой массы, то здесь начинают проявляться и другие — более тонкие — эффекты», — поясняет Лин. Под этими тонкими эффектами подразумевается то, что физики любят называть выражением «коллективные возбуждения». А смысл здесь такой: если несколько частиц движутся одновременно друг с другом, то их удобнее описывать как единое целое, — скажем, как звуковую волну, состоящую из множества вибрирующих атомов.

Если электроны начинают вести себя подобным образом, то в этом случае как раз и возникают плазмоны. Если же начинает вибрировать группа атомных ядер, то их коллективное возбуждение называют фононом. С этим явлением обычно сталкиваются астрофизики и специалисты в области физики высоких энергий, изучающие темную материю; правда, они рассматривают его как несущественное.

Но, как однажды заметил покойный нобелевский лауреат по физике Филип Андерсон (Philip Anderson), «больше значит иначе», — то есть речь идет о признании того факта, что по мере роста системы у нее могут появиться совершенно иные законы поведения [имеется в виду статья Филипа Андерсона, 1972 г. «Больше значит иначе», т. е. More is different, — прим. перев.]. Например, капля воды ведет себя совсем по-другому, чем отдельная молекула воды (H2O). «Я полностью пропитался этой концепцией», — говорит Йонатан Кан.

Подходы к продуцированию плазмонов, используемые в обеих статьях, несколько отличаются друг от друга. Однако авторы приходят к одному и тому же выводу: мы действительно должны искать сигналы, свидетельствующие о продуцировании плазмонов. В частности, по расчетам Лин и Козачук, скорость образования плазмона темной материей малой массы составила бы примерно одну десятитысячную от скорости появления электрона или фотона. Это значение может показаться маловероятным, но для физиков оно является вполне точным.

Энергетический импульс в темноте

До недавнего времени в самых чувствительных детекторах, предназначенных для обнаружения темной материи, использовались гигантские резервуары с жидким ксеноном. Однако в последние несколько лет на смену им пришло новое поколение твердотельных детекторов меньшего размера. Они известны под акронимами EDELWEISS III, SENSEI и CRESST-III и сконструированы из таких материалов, как германий, кремний и шеелит. Такие детекторы чутко реагируют на столкновения с темной материей, в результате которых может возникнуть только один электрон.

Но все детекторы, независимо от степени своей защиты, чувствительны к стороннему шуму, источниками которого может быть, например, фоновое излучение. И вот на протяжении последнего года ученые, работающие с несколькими детекторами темной материи, вдруг неожиданно стали фиксировать увеличение, или избыток, количества низкоэнергетических воздействий, однако этот факт они обходили молчанием.

В статье Курински и его коллег впервые было отмечено примечательное сходство между такими низкоэнергетическими «избытками», которые наблюдались в различных экспериментах с темной материей. Кажется, что некоторые из таких превышений концентрируются около показателя 10 герц на килограмм массы детектора. А поскольку детекторы сделаны из разных материалов, расположены в совершенно разных местах и работают в отличающихся друг от друга условиях, то вряд ли здесь можно назвать какую-то другую универсальную причину этой странной согласованности, кроме еле уловимого влияния темной материи. Развернувшаяся научная дискуссия привлекла внимание и других физиков, таких как Лин, которые быстро приступили к работе над математическими выкладками, относящимися к плазмону. Но даже Лин сомневается: а вдруг результаты проводимых в настоящее время экспериментов говорят о том, что плазмоны порождены не темной материей, а чем-то другим? «Я не говорю, что причина не в темной материи. Я лишь утверждаю, что темная материя кажется мне пока малоубедительным фактором», — говорит Лин.

Эту гипотезу будут неоднократно проверять и перепроверять по мере поступления свежих данных от новейших детекторов темной материи. Но неважно, обнаруживают ли детекторы в настоящее время таинственное вещество или нет. Сейчас ученые, работающие в данной области физики, изучают плазмоны и прочие способы поведения темной материи низкой массы. Исследования продолжаются.

«Не исключаю, что мы сделали много ошибок, но все они сами по себе вызывают интерес», — утверждает Крджайч.