Ученые любят говорить, что отрицательные результаты так же важны, как и положительные, но после нескольких десятилетий бездействия исследователей можно простить их нетерпеливость. Еще в 1990-х годах в экспериментах начали пытаться обнаружить частицы, из которых состоит темная материя, вездесущий, но неприкасаемый невидимый материал, который, по-видимому, заполняет космос.
С тех пор физики находили все больше и больше доказательств того, что темная материя реальна, но ни единого признака самой материи. Новая версия длительного эксперимента с XENON (установка, построенная в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо в 2014 для поиска следов "тяжелой" темной материи), который начался в конце прошлого года, призвана окончательно сломать эту схему.
Одно из лучших предположений физиков об идентичности темной материи уже давно заключалось в том, что она состоит из частиц, называемых вимпами (WIMP)- слабо взаимодействующих массивных частиц. Эти элементарные частицы материи могут быть где угодно между массой протона и массой в 1000 раз больше массы протона, и они будут взаимодействовать с обычными атомами только через гравитацию и слабую ядерную силу, которая управляет радиоактивностью. Но с годами, когда эксперимент за экспериментом ничего не находили, энтузиазм ученых стал угасать.
«Вы начинаете чесать в затылке и думаете, что, возможно, это была не та лошадь, на которую можно было сделать ставку», - говорит Рафаэль Ланг, физик из Университета Пердью, который работал над экспериментом XENON в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии более чем десятилетие.
Другой главный претендент - аксион, гораздо более легкая теоретическая частица, которая в последнее время трансформировалась в жидкую категорию возможностей, называемую аксионоподобными частицами. Некоторых ученых воодушевляет идея о том, что темная материя может быть составной частицей - конгломератом «темных кварков» и «темных глюонов», которые слипаются вместе, как обычные кварки и глюоны, образуя «темные ядра». Также возможно, что темная материя вовсе не частица. Одна идея, которая все еще обсуждается, состоит в том, что недостающее вещество состоит из первичных черных дыр, которые образовались вскоре после Большого взрыва.
Последняя версия эксперимента XENON, XENONnT, начала сбор данных в прошлом году. Его цель - улавливать темные частицы в очень и очень редких случаях, когда они могут столкнуться с обычными атомами. Атомы в этом случае представляют собой ксенон - 8,3 метрических тонны его, хранящийся в жидкой форме в гигантском чане, погребенном под милей скалы, чтобы защитить его от космических лучей и других загрязнений. Ксенон с его 54 протонами и электронами и даже большим количеством нейтронов является хорошей плотной мишенью для темной материи. Если бы экзотическая частица ударилась о ядро ксенона, она могла бы отправить ядро или электрон, летящие через жидкость, создавая вспышку света, которую фотоумножители наверху и внизу чана могут обнаружить. Эта последняя итерация эксперимента содержит в четыре раза больше ксенона, чем предыдущая версия, а это означает, что вероятность обнаружения сигнала в четыре раза выше.
Другие обновления включают улучшенную очистку ксенона и более совершенные системы для обнаружения космических лучей и следовых количеств радиоактивных элементов в эксперименте и его корпусе, которые могут маскироваться под сигналы темной материи.
«Каждая гайка и болт на детекторе изготавливаются вручную из тщательно отобранных материалов, - говорит Ланг, - потому что, если вы просто купите болт из нержавеющей стали в строительном магазине, он станет слишком радиоактивным для того, что нам нужно».
Для внешнего мира годы кропотливой работы без вознаграждения за открытие могут показаться разочаровывающими, но физики видят это иначе.
«Если судить по тому, обнаружила ли она темную материю, то нет, но в глазах сообщества это чрезвычайно успешный эксперимент», - говорит физик-теоретик Дорота Грабовска из ЦЕРНа, которая не участвует в проекте. Ее успех, по ее словам, заключается в том, что многие возможности, которые она исключила, во все возрастающей чувствительности достигаются.
Сейчас поиск WIMP подошел к поворотному моменту. В относительно ближайшем будущем подземные эксперименты с темной материей будут исследовать большую часть теоретического ландшафта, которого они могут достичь. Если они не нашли WIMP, это может означать, что они не существуют, или это может просто означать, что они принимают некоторую форму, которая не была замечена. Но ученые находчивы - они могут придумать новые идеи о том, что может быть темной материей, и новые способы ее поиска быстрее, чем они могут построить детекторы.
«Идентификация новых способов обнаружения кандидатов в темную материю вызывает большой энтузиазм и творческий подход», - говорит физик-теоретик Тонгян Линь из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Одна из идей, над которой она работает, заключается в использовании кристаллов для улавливания темных частиц. В кристаллической форме,
Хотя темная материя оказалась более неуловимой, чем некоторые первоначально надеялись, физики далеки от того, чтобы сдаваться.
«Многие люди смотрят на науку как на « Звездный путь » , - говорит физик-теоретик Тим Тейт из Калифорнийского университета в Ирвине.
«Вы что-то видите, достаете трикодер и получаете ответ. Но на самом деле это очень запутанный процесс, и вы пробуете множество вещей, пока не найдете что-то, что работает. Все, что не работало, было важной частью процесса».