Австралия ищет "темную материю" в глубокой шахте по добыче золота

В глубине золотой шахты на окраине небольшого викторианского городка Стауэлл, расположенного в нескольких часах езды к северо-западу от Мельбурна, строится лаборатория для поиска одной из самых неуловимых субстанций Вселенной - темной материи.

Лаборатория, расположенная в километре под землей, в настоящее время больше похожа на пещеру размером с теннисный корт, чем на многомиллионное предприятие. Это потому, что лаборатория - партнерство между Мельбурнским университетом, ANSTO, Суинберном и другими - все еще находится в стадии разработки. Но в случае успеха она может помочь раскрыть одну из величайших загадок астрофизики.

"Для нас наступило решающее время", - говорит доцент Мельбурнского университета Филлип Уркихо, физик частиц и технический координатор эксперимента по изучению темной материи, который называется SABRE - Sodium Iodide with Active Background Rejection Experiment.

"Сама лаборатория должна быть завершена к декабрю. Мы надеемся, что к ноябрю мы сможем привезти часть нашего экспериментального оборудования".

Темную материю, которая, как считается, составляет 85% материи во Вселенной, не так-то просто найти. Она не видна ни в одной из длин волн, которые обычно используются для обнаружения космических объектов, таких как газ и пыль. Более того, кажется, что она вообще не взаимодействует с электромагнитными силами - это означает, что она не поглощает, не отражает и не излучает свет.

Ученые знают о его существовании только потому, что звезды, галактики и скопления галактик оказывают слишком сильное гравитационное притяжение без какого-либо дополнительного объяснения, например, что где-то прячется куча темной материи.

"Если нам удастся ее найти, это гарантированная Нобелевская премия", - говорит старший советник ANSTO по стратегическим проектам доктор Ричард Гарретт. "Это как[гравитационные волны. Это еще одна вещь, которую искали 30-40 лет, пока, наконец, эти огромные эксперименты (в частности, Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) не обнаружили ее".

Но поиск темной материи до сих пор был безуспешным. До сих пор.

У нас под носом

Исследователи пытаются обнаружить темную материю на Земле разными способами.

Первый способ заключается в том, чтобы поймать темную материю, распадающуюся на что-то, что мы можем обнаружить, например, гамма-лучи или пары частица-античастица. К сожалению, темная материя - не единственный астрономический процесс, который их производит, что добавляет еще один уровень сложности в процесс.

Существуют детекторы, подобные SABRE, которые пытаются обнаружить отдачу гипотетических частиц темной материи, называемых слабо взаимодействующими массивными частицами, или WIMPS, от источников, расположенных глубоко под землей.

Но каждый построенный детектор до сих пор обнаруживал только те сигналы, которые можно было отнести к другой причине. Темная материя остается непонятной.

За одним исключением. В течение последних 25 лет детектор под названием DAMA/LIBRA, работающий в Лаборатории Национального института Гран Сассо (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) вблизи Аквилы (L'Aquila) на северо-востоке Италии, отмечает ежегодную закономерность в количестве регистрируемых сигналов. Названный "эффектом ежегодной модуляции", он может быть вызван тем, что Земля то приближается, то удаляется от гало темной материи нашей галактики.

"За эти 25 лет данные [DAMA/LIBRA] показали, что у нее есть этот эффект ежегодной модуляции с чрезвычайно, чрезвычайно высоким уровнем достоверности", - говорит Уркихо. "Благодаря своим исследованиям и независимым обзорам их исследований, они не смогли исключить гипотезу о темной материи для ее объяснения".

Итальянская лаборатория была чем-то вроде "белой вороны" в мире детекторов, поскольку ни один другой детектор не смог повторить их результаты. Одна из причин этого заключается в том, что команда DAMA/LIBRA использовала особые кристаллы йодистого натрия. Они были самыми радиочистыми - то есть с очень низким уровнем радиоактивности - из когда-либо созданных, и этот рекорд команда удерживает до сих пор.

Для изготовления кристаллов используется порошок йодистого натрия "астроград" - соединение с низкой радиоактивностью, но еще не кристалл. Когда исследователи выращивают кристалл из порошка, обычно радиоактивные загрязняющие вещества из окружающей среды оказываются запутанными в кристаллах, поэтому требуется очень специфическое оборудование для выращивания и очистки кристаллов при сохранении низкой радиоактивности.

"На самом деле это очень сложный и трудоемкий процесс исследований и разработок, который является очень, очень нишевым", - говорит Уркихо о кристаллах.

Но скептики DAMA/LIBRA не считают, что это связано с радиоактивной чистотой кристаллов. Поскольку эта картина обнаруживается ежегодно, они предполагают, что детектор измеряет это изменение сигнала только в связи со сменой времен года.

Вот тут-то и пригодится то, что мы находимся на другом конце света с противоположными временами года.

"Если мы увидим тот же эффект, что и они, мы будем знать, что это не сезонный эффект, а что-то внешнее", - говорит Уркихо. "По сути, мы оба будем видеть темную материю".

Даже если это не темная материя, это все равно будет что-то внешнее по отношению к Земле, о чем ученые еще не знают, что было бы почти так же увлекательно, как найти темную материю. Но сначала им нужно закончить детектор.

На данный момент они сделали кристаллы йодистого натрия еще более радиочистыми, чем те, которые используются в эксперименте DAMA/LIBRA - это подвиг, который потребовал длительного процесса исследований и разработок между институтами по всему миру.

В ANSTO уже было создано оборудование для проверки мельчайших уровней радиации, и команда проверяет все свои материалы на радиоактивность, следя за тем, чтобы все было как можно более низким. Небольшие уровни радиации существуют вокруг нас - даже бананы и люди, например, немного радиоактивны. Поэтому команда должна ограничить эту "нормальную" радиоактивность, чтобы она не мешала работе детектора.

"Мы измеряли все виды песка, гравия и цементного порошка со всей Австралии, пытаясь найти лучшую бетонную смесь для строительства", - говорит Гарретт.

"Мы глубоко под землей ищем очень, очень слабые сигналы, но нет смысла делать это, если бетон, который мы используем, радиоактивен".

Затем - местоположение. Работа на действующем золотом руднике имеет много положительных сторон. Горнодобывающая компания берет на себя все заботы по вентиляции и управлению безопасностью. Кроме того, работники шахты могут перевозить ученых в специально оборудованных шахтных вагонетках по длинным извилистым туннелям до самой лаборатории.

Но у этого метода есть свои недостатки и проблемы. Строительство лаборатории было отложено почти на три года, когда шахта сменила владельца и на некоторое время закрылась. Кроме того, пещеру необходимо освобождать каждые восемь часов, чтобы шахтеры могли вести взрывные работы в поисках золота.

На схемах прибор SABRE выглядит как люстра внутри чана, заключенная в металлический свод. Сам детектор - это люстра, свисающая с верхней части чана и заполненная 50 кг кристаллов радиочистого йодистого натрия для обнаружения любых крошечных намеков на радиацию.

Чан, который команда называет Veto, усеян фотоумножителями (невероятно чувствительными детекторами света), и будет содержать линейный алкилбензол - жидкость, обычно используемую для производства моющих средств, но в данном случае используемую в качестве "жидкого сцинтиллятора", который будет вспыхивать светом при попадании на него радиации. И еще - четырехметровый свод, который даже Уркихо может сказать, что это немного чересчур: В SABRE будет около 100 тонн стали, защищающей эксперимент от излучения шальных частиц, которые могут испортить любые потенциальные измерения.

"У нас была настоящая паранойя по поводу радиационного фона", - объясняет Уркихо. "Область самой низкой радиоактивности, которую можно найти в любом месте Южного полушария, находится прямо в центре этих кристаллов".

Но сейчас детали детектора еще не перевезены в шахту - вместо этого часть оборудования для поиска темной материи стоит на автостоянке.

"У Мельбурнского университета не так много места для хранения оборудования, поэтому мы используем нашу связь через ANSTO, чтобы просто разместить жидкий сцинтиллятор на автостоянке", - говорит Уркихо.

Когда детектор будет окончательно установлен, останется только сидеть на поверхности и ждать результатов. Но до тех пор команде есть чем заняться.

"Каждый материал поступает к нам, и мы измеряем его радиоактивность, чтобы понять, достаточно ли он хорош", - говорит Гарретт.

"Это гонка со временем".