Одна из самых больших загадок современной физики связана с веществом, которое невозможно увидеть напрямую. Темная материя не излучает свет, не отражает его и практически не взаимодействует с обычным веществом. Однако ее существование необходимо для объяснения движения звезд в галактиках, поведения галактических скоплений и формирования крупномасштабной структуры Вселенной.
Теперь международная группа ученых сообщила о необычном событии, которое может оказаться самым убедительным на сегодняшний день намеком на прямое обнаружение частицы темной материи. Сигнал был зарегистрирован в подземном эксперименте LUX-ZEPLIN, предназначенном специально для поиска крайне редких взаимодействий неизвестных частиц с обычным веществом.
Пока речь не идет об открытии. Ученые обнаружили всего одно событие, и его статистическая значимость недостаточна для окончательного вывода. Тем не менее характеристики зарегистрированного сигнала оказались настолько необычными, что исследователи рассматривают возможность того, что детектор впервые зафиксировал взаимодействие одной из предполагаемых частиц темной материи с атомным ядром.
Невидимая материя, формирующая Вселенную
Темная материя остается одной из фундаментальных нерешенных проблем астрофизики и физики элементарных частиц. Ее невозможно наблюдать обычными телескопами, поскольку она не взаимодействует со светом так, как это делает привычное вещество.
Мы видим звезды, планеты, газовые облака и галактики благодаря электромагнитному излучению. Атомы обычного вещества могут поглощать, испускать и отражать свет. Темная материя ведет себя иначе. Она не создает наблюдаемого электромагнитного излучения, поэтому остается невидимой для традиционных астрономических наблюдений.
Почему ученые уверены, что темная материя существует
Хотя темную материю до сих пор не удалось непосредственно идентифицировать, ее присутствие проявляется через гравитацию. Одним из наиболее известных свидетельств стали наблюдения за вращением галактик.
Звезды на окраинах галактик движутся с такими скоростями, которые трудно объяснить гравитацией видимого вещества. Если учитывать только наблюдаемые звезды, газ и другие известные объекты, внешние области многих галактик должны были бы двигаться иначе.
Дополнительная невидимая масса позволяет объяснить эти наблюдения. Согласно современным представлениям, галактики окружены огромными гало темной материи, значительно превосходящими по массе видимое вещество.
Темная материя также играет важную роль в формировании космической структуры. Ее гравитация помогала собирать обычное вещество в плотные области, где позднее формировались галактики и их скопления.
Большая часть материи Вселенной остается неизвестной
Обычное вещество — атомы, из которых состоят звезды, планеты, живые организмы и межзвездный газ, — представляет лишь небольшую часть всего вещества во Вселенной.
Согласно современным космологическим оценкам, темная материя составляет примерно 85% всей материи во Вселенной. При этом ее физическая природа остается неизвестной.
Именно поэтому поиск конкретной частицы темной материи считается одной из важнейших задач современной фундаментальной науки. Ученые располагают многочисленными доказательствами гравитационного влияния темной материи, но до сих пор не знали, из чего именно она состоит.
Что такое WIMP и почему их ищут
Одними из наиболее известных кандидатов на роль частиц темной материи считаются WIMP — слабовзаимодействующие массивные частицы. Название отражает предполагаемые свойства этих гипотетических объектов.
Такие частицы должны обладать массой, но крайне редко взаимодействовать с обычным веществом. Именно поэтому их поиск настолько сложен: даже если огромное количество частиц темной материи проходит через Землю и через тела людей каждую секунду, вероятность столкновения с атомным ядром может быть исключительно малой.
Частица, которую невозможно увидеть обычным способом
Если WIMP действительно существуют, их нельзя обнаружить при помощи обычного телескопа. Они не должны излучать или отражать свет подобно атомам, звездам или планетам.
Поэтому физики используют другой подход. Вместо попытки увидеть частицу непосредственно они ищут последствия ее редкого столкновения с обычным веществом.
Теоретически частица темной материи может передать небольшую часть своей энергии атомному ядру. В результате ядро получит импульс и немного изменит свое состояние. Современные высокочувствительные детекторы способны искать именно такие крайне слабые следы.
Почему одно столкновение может быть чрезвычайно важным
Поиски WIMP основаны на ожидании исключительно редких событий. Детектор может работать годами, а исследователи при этом будут искать буквально несколько потенциальных взаимодействий.
Именно поэтому необычное событие, которое невозможно сразу объяснить известными источниками фона, заслуживает детального изучения. Однако редкость ожидаемых сигналов одновременно создает серьезную проблему: одно событие очень трудно отличить от случайного или пока неучтенного фонового процесса.
Для подтверждения существования новой частицы одного наблюдения недостаточно. Ученым необходимо получить дополнительные события с аналогичными характеристиками и убедиться, что они не могут быть объяснены известной физикой.
Подземная лаборатория для поиска невидимых частиц
Эксперимент LUX-ZEPLIN, также известный как LZ, расположен глубоко под землей в штате Южная Дакота. Детектор находится примерно в полутора километрах под поверхностью.
Такое расположение необходимо не для защиты оборудования от земных условий, а для борьбы с космическим излучением.
Зачем детектору понадобилось находиться глубоко под землей
К Земле постоянно приходят космические лучи — высокоэнергетические частицы, возникающие в различных астрофизических процессах. Они способны создавать сигналы, которые могут помешать поиску чрезвычайно редких взаимодействий.
Толща горных пород над лабораторией действует как естественный экран. Большая часть нежелательного излучения поглощается еще до того, как достигает экспериментальной установки.
Это позволяет значительно снизить количество фоновых событий и сделать возможным поиск сигналов, которые происходят крайне редко.
Десять тонн сверхчистого ксенона
Основой детектора LUX-ZEPLIN является огромный объем сверхчистого жидкого ксенона. В эксперименте используется около 10 тонн этого вещества.
Ксенон выбран не случайно. Его атомные ядра могут взаимодействовать с проходящими через детектор частицами, а сама установка способна с высокой точностью регистрировать последствия таких взаимодействий.
При столкновении частицы с веществом внутри детектора могут возникать слабые световые и электрические сигналы. По их характеристикам исследователи пытаются определить, что именно произошло.
Однако задача состоит не просто в регистрации любого события. Внутри установки постоянно могут возникать различные фоновые процессы, связанные с естественной радиоактивностью, космическими частицами и другими источниками.
Поэтому ученым необходимо чрезвычайно хорошо понимать поведение собственного детектора.
Необычный сигнал, который не удалось сразу объяснить
В ходе нового анализа данных исследователи обнаружили одно необычное взаимодействие. Оно произошло в области параметров, которая ранее не была подробно изучена в рамках этого набора наблюдений.
Команда потратила дополнительные месяцы на проверку возможных объяснений. Исследователи анализировали известные фоновые процессы и особенности работы оборудования, пытаясь определить, могло ли зарегистрированное событие возникнуть без участия новой частицы.
В результате ученым не удалось уверенно связать этот сигнал с известным фоном обычного вещества.
Сигнал соответствует возможному столкновению с атомным ядром
Зарегистрированное событие обладает характеристиками, которые могут соответствовать столкновению атомного ядра с частицей темной материи.
Именно такой тип взаимодействия ожидают многие эксперименты, ищущие WIMP. Если массивная неизвестная частица проходит через детектор и сталкивается с ядром атома ксенона, ядро получает небольшой импульс.
Детектор способен зарегистрировать последствия такого события.
Однако соответствие теоретическим ожиданиям еще не означает, что обнаружена темная материя. Необходимо исключить все возможные альтернативные объяснения.
Почему ученые не называют это открытием
В фундаментальной физике существуют строгие требования к заявлениям об обнаружении новых явлений. Необычный сигнал должен обладать достаточно высокой статистической значимостью, а вероятность его случайного возникновения должна быть крайне малой.
В данном случае обнаружено только одно событие. Его недостаточно для достижения уровня достоверности, необходимого для официального объявления открытия новой частицы.
Согласно представленным оценкам, остается небольшая вероятность того, что сигнал может быть связан с известным фоновым процессом. Поэтому исследователи используют осторожные формулировки и говорят о возможном намеке на темную материю, а не о подтвержденном обнаружении.
Какой может быть масса предполагаемой частицы
Если необычное событие действительно связано с WIMP, его характеристики позволяют сделать предварительные оценки свойств гипотетической частицы.
Согласно анализу, речь может идти о частице с массой примерно в 200 раз больше массы протона.
Это не означает, что физикам уже удалось точно измерить массу темной материи. При одном событии существует значительная неопределенность, а разные модели могут давать различные интерпретации.
Тем не менее зарегистрированный сигнал позволяет ограничить диапазон возможных свойств частицы и определить, какие варианты следует особенно внимательно проверять в дальнейшем.
Один сигнал еще не определяет природу темной материи
Даже подтверждение того, что событие вызвано WIMP, не означало бы немедленного решения всех загадок темной материи.
Ученым потребовалось бы определить массу частицы с большей точностью, изучить характер ее взаимодействий и понять, может ли именно такой тип частиц объяснить все наблюдаемое количество темной материи во Вселенной.
Поиск новой частицы стал бы только первым этапом гораздо более масштабного исследования.
Почему темную материю до сих пор не удалось поймать
Поиски темной материи продолжаются уже много десятилетий. За это время были построены многочисленные эксперименты, использующие различные методы.
Одни исследователи пытаются зарегистрировать непосредственное столкновение неизвестных частиц с веществом на Земле. Другие ищут продукты возможного уничтожения или распада частиц темной материи в космосе. Третьи пытаются получить новые частицы в ускорителях.
Каждый из этих методов проверяет разные варианты возможной физической природы темной материи.
Прямой поиск
Эксперименты вроде LUX-ZEPLIN пытаются зарегистрировать редкое взаимодействие частицы темной материи с атомным ядром.
Главная сложность заключается в том, что ожидаемые события должны происходить чрезвычайно редко. Для их поиска требуются большие объемы чувствительного вещества, глубокие подземные лаборатории и многолетние наблюдения.
Косвенный поиск в космосе
Другой подход основан на поиске возможных продуктов взаимодействий темной материи.
Если частицы темной материи способны сталкиваться и уничтожать друг друга, в результате могут возникать обычные частицы или высокоэнергетическое излучение. Астрономические инструменты ищут такие возможные сигналы в областях космоса, где концентрация темной материи может быть особенно высокой.
Однако этот метод также сталкивается с серьезной проблемой: космос производит огромное количество излучения в результате обычных астрофизических процессов. Необходимо отделить возможный сигнал темной материи от излучения звезд, черных дыр, пульсаров и других объектов.
Поиск новых частиц в ускорителях
Физики также пытаются обнаружить признаки неизвестных частиц в столкновениях высокоэнергетических частиц.
Если темная материя состоит из частиц, которые можно создать в лаборатории, ускорители могут дать еще один путь к их обнаружению.
Но пока ни один из этих методов не предоставил окончательного и общепризнанного доказательства существования конкретной частицы темной материи.
Что должно произойти, чтобы возможный сигнал стал открытием
Главная задача LUX-ZEPLIN теперь заключается в продолжении наблюдений.
Если детектор снова зарегистрирует события с похожими характеристиками, ситуация станет значительно интереснее. Несколько независимых сигналов, появляющихся именно там и с такими свойствами, где их ожидают увидеть, могли бы существенно уменьшить вероятность случайного объяснения.
Повторяемость станет главным доказательством
Наука требует, чтобы необычные результаты можно было проверить. Один сигнал может оказаться случайностью, неизвестным фоновым процессом или результатом редкой особенности работы оборудования.
Повторяющиеся события меняют ситуацию. Если новые данные будут демонстрировать тот же тип взаимодействий, исследователи смогут значительно точнее определить свойства предполагаемой частицы.
Особенно важным станет независимое подтверждение. Если похожие сигналы обнаружат другие эксперименты, использующие собственные установки и методы анализа, аргументы в пользу существования новой частицы станут значительно сильнее.
Необходимо исключить неизвестные источники фона
Даже самый совершенный детектор не существует в абсолютно чистой среде. Радиоактивные процессы, взаимодействия известных частиц и другие редкие явления способны создавать события, похожие на искомый сигнал.
Поэтому исследователи продолжают изучать все возможные механизмы, которые могли бы объяснить зарегистрированное событие без привлечения темной материи.
Именно такая осторожность отличает возможный научный прорыв от поспешного заявления об открытии.
Почему это событие может стать важным для всей космологии
Если в будущем будет подтверждено, что LUX-ZEPLIN действительно зарегистрировал WIMP, это станет одним из крупнейших открытий современной физики.
Впервые ученые получили бы не только косвенные свидетельства существования темной материи через ее гравитационное влияние, но и возможность изучать частицу, которая может составлять значительную часть всей материи Вселенной.
Это открыло бы совершенно новое направление исследований.
От невидимой массы к изучаемой частице
Сегодня темную материю можно наблюдать главным образом по ее влиянию на окружающее пространство и обычное вещество.
Мы можем видеть, как ее гравитация влияет на движение звезд и галактик, как она участвует в формировании космической структуры и как ее распределение проявляется через гравитационное линзирование.
Но физическая природа темной материи остается неизвестной.
Прямое обнаружение частицы означало бы переход от изучения последствий к изучению самого объекта. Физики получили бы возможность экспериментально исследовать его свойства.
Возможный выход за пределы современной физики частиц
Если темная материя состоит из WIMP или других неизвестных частиц, это будет означать существование физики, которая не описывается полностью современной Стандартной моделью.
Стандартная модель чрезвычайно успешно объясняет свойства известных элементарных частиц и их взаимодействия. Однако она не дает готового ответа на вопрос о природе темной материи.
Поэтому обнаружение новой частицы могло бы показать направление, в котором необходимо расширять существующие представления о фундаментальном устройстве Вселенной.
Пока найден только намек, но его значение трудно переоценить
На сегодняшний день необычный сигнал LUX-ZEPLIN остается именно кандидатом на первое прямое обнаружение темной материи, а не подтвержденным открытием.
Ученые зарегистрировали одно событие, которое соответствует возможному взаимодействию WIMP с обычным веществом и пока не получило убедительного объяснения через известные фоновые процессы. Но одного такого события недостаточно, чтобы окончательно установить существование новой частицы.
Тем не менее сам факт появления настолько необычного сигнала в одном из самых чувствительных экспериментов по поиску темной материи делает дальнейшие наблюдения особенно важными.
Темная материя десятилетиями оставалась известной лишь по своему гравитационному воздействию. Если последующие данные подтвердят природу обнаруженного сигнала, человечество может впервые получить непосредственное свидетельство существования вещества, которое составляет большую часть всей материи во Вселенной и при этом до сих пор остается практически невидимым.
Даже если этот конкретный сигнал в итоге получит другое объяснение, проведенный анализ показывает, насколько далеко продвинулись современные эксперименты в поиске чрезвычайно редких явлений. Детекторы уже достигли чувствительности, при которой отдельное необычное событие может стать поводом для многомесячного исследования и потенциально привести к пересмотру представлений о фундаментальном составе космоса.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
