Современная теория строения Вселенной всё больше и больше напоминает лабиринт Минотавра, в который легко зайти и не возможно оттуда выбраться...
Последние открытия группы астрофизиков Фабрицио Никастро из Национального астрофизического института Италии в Риме заставили усомниться в существовании тёмной материи как таковой, но тем не менее сторонники её существования не намерены отказываться от неё и продолжают поиски этой таинственной космической субстанции.
По современным представлениям тёмная материя может составлять почти до четверти от всей массы Вселенной, что многократно превышает вклад всей видимой материи, однако астрофизикам до сих пор так и не удалось подтвердить её существование в прямых наблюдениях. Даже несмотря на то, что вот уже два десятка лет ученые всего мира непрерывно ищут следы этой таинственной субстанции, все, что им удалось получить на выходе — это очень низкие оценки на сечение рассеяния частиц (т.е. на вероятность их взаимодействия с обычной материей). На сегодняшний день этот параметр ограничивается величиной порядка 1десять в минус сорок шестой степени. При этом отдельные специалисты утверждали, что получили сигналы, отвечающие рассеянию частиц темной материи (группы DAMA, CDMS), однако ни один из этих экспериментов не был подтвержден другими наблюдателями, а потому научная достоверность их вызывает сильное сомнение.
И вот недавно группа физиков из Дании смогли показать, что построенные для этой цели подземные детекторы темной материи в принципе не способны зарегистрировать тёмную материю, так как ее частицы рассеиваются и тормозятся при прохождении земной коры. Соответствующая статья была недавно опубликована в научном издании Physical Review D.
Конструкция существующего детектора темной материи напоминает обычную пузырьковую камеру. Большая масса жидкого ксенона, которой заполнен гигантский резервуар, постоянно контролируется сверхчувствительными детекторами, способными зафиксировать даже чрезвычайно слабую вспышку света. Принцип поиска здесь основан на том, что при рассеянии частиц гипотетической темной материи на частице материи барионной будет выделяться тепло и излучаться фотоны, соответственно при этом по углу разлета частиц, энергии отдачи и прочим параметрам события можно довольно точно установить характеристики частицы, ставшей виновницей реакцию. Отсюда, чем больше объём жидкости в камере и чем дольше ведутся наблюдение, тем выше вероятность обнаружить взаимодействие темной материи с детектором. Детекторы тёмной материи могут отличаться в деталях, но принцип действия их един и основным направлением их совершенствования является увеличение объёма детектора и снижение паразитных шумов от посторонних частиц, например, мюонов, которые заметно мешают наблюдениям. Для этой цели детекторы дополнительно экранируют и прячут глубоко под землю. К примеру, строящийся новый детектор SuperCDMS разместится в подземной лаборатории научного комплекса SNOLAB на глубине около 2 тысяч метров.
Учёные из Дании, физики Тимон Эмкен и Крис Куварис предположили, что размещение детекторов на больших глубинах может служить как преимуществом, так и критическим недостатком. В самом деле, теория таких экспериментов полагает, что вероятность взаимодействия частиц темной материи с частицами барионной материи слишком мала, чтобы тысячеметровый слой земной коры был способен хоть как-то повлиять на их количество. Но с другой стороны, резонно предположили учёные, если сечение окажется в промежуточной области, то частицы темной материи будут рассеиваться и тормозиться на пути к детектору. При таком раскладе даже существенное увеличение массы и длительности периода эксперимента едва ли сможет хоть как-то помочь обнаружению тёмной материи.
Чтобы проверить своё предположение, учёные попытались оценили количество частиц тёмной материи, которое сможет зарегистрировать детектор учитывая влияния толщины земной коры. При проведении расчётов исследователи учитывали не только отражение частиц в обратном направлении, но и уменьшение их скорости в результате рассеяния в земной коре, так как из-за конструктивных особенностей детекторы способны регистрировать только частицы с достаточно большой кинетической энергией.
Используя созданную для этой цели программу, физики пересчитали ограничения на сечение взаимодействия темной и барионной материи, определенные в ранее проводившихся экспериментах. Выяснилось, что в диапазоне энергий от 0,1 до 20 ГЭВ и сечениях от десять в минус двадцать пятой до десять в минус сорок седьмой степени кв. см. возникает некая область параметров, которую уже не могут исследовать подземные детекторы.
Верхняя планка рассмотренного учёными диапазона определялась спектром реликтового излучения (если бы частицы темной и обычной материи взаимодействовали на ранних стадиях существования Вселенной, то такой спектр заметно изменился бы), а нижняя — фоном космических нейтрино, от которого в принципе никак нельзя избавиться. А в диапазонах энергий от 0,1 до 0,3 ГЭВ глубинные детекторы в принципе не способны зарегистрировать частицы темной материи, в не зависимости от характеристик оборудования. Поэтому авторы статьи предлагают строить детекторы тёмной материи не только глубоко под землей, но и на её поверхности. Предположительно, для увеличения точности экспериментов, какие-то детекторы даже понадобится поднимать в верхние слои атмосферы. При этом учёным предстоит решить очень не лёгкую задачу — придумать, как избавиться от фонового шума, не прибегая к процедуре экранирования детектора.
Однако существуют и другие идеи, пытающиеся объяснить причину неудач поиска тёмной материи.
В конце 2017 физик из Брукхейвенской национальной лаборатории Хуман Давудиазл предложил иное объяснение тому факту, что существующие детекторы темной материи до сих пор не смогли обнаружить хоть что-то похожее на следы искомой субстанции. В своей статье учёный высказал предположение, что вокруг Земли возникает эффективный потенциал, который отталкивает от нее практически все слабовзаимодействующие тяжёлые частицы. В этом случае наблюдаемое ничтожно малое сечение рассеяния частиц темной материи на частицах Стандартной модели оказывается связано не со слабостью их взаимодействия, а с низкой концентрацией частиц вблизи поверхности Земли.
Павда проверить данную гипотезу сейчас очень сложно, мощности существующих детекторов темной материи для этой цели пока явно не хватает. Но, впрочем, если данные, полученные Фабрицио Никастро и его группой окончательно подтвердятся, то надобность в строительстве новых детекторов тёмной материи отпадёт сама собой.
Если вам понравилась статья, подписывайтесь на канал, ставьте лайки, это позволяет автору создавать больше интересных материалов и глубже раскрывать суть тематики канала о Вселенной.