Загадочное явление наблюдалось в лаборатории, находящейся в полутора километрах от поверхности Земли. Все подсказывало, что это был первый случай обнаружения темной энергии. Нет, это не начало нового нашумевшего романа, а выводы, сделанные на основе эксперимента XENON1T.
На итальянских Апеннинах, под горой Сан-Грассо, находится крупнейшая в мире подземная научная лаборатория. Его измерительные приборы защищают от космического излучения почти полтора километра скал. Именно здесь с середины прошлого десятилетия физики пытались разгадать одну из величайших загадок Вселенной - то есть обнаружить следы темной материи.
Мы не знаем, что она собой представляет. Однако известно, что во Вселенной ее должно быть больше, чем обычной материи. Почему? Ведь если бы ее не было, вращающиеся галактики коллапсировали бы под действием центробежной силы. Расчеты показывают, что обычной (светящейся и невидимой) материи в космосе в пять раз меньше, чтобы остановить такой распад.
Темная материя должна обладать силой притяжения. По оценкам, темная материя занимает 27% всей Вселенная. Нормальная - звезды, планеты, межзвездная пыль - всего пять процентов.
Вы должны искать следы темной материи под землей
Чтобы обнаружить темную материю, ученые разработали эксперимент под названием XENON1T. Основную роль сыграли большие емкости, заполненные 3,5 тоннами жидкого ксенона. Если что-то пройдет через них, это ионизирует частицы ксенона, которые испускают фотоны. Конечно, это не было бы космическим излучением, потому что оно задерживается толстым слоем горной породы, окружающим лабораторию. Это должна быть темная материя, и анализ оставшегося следа выявит ее свойства.
Фотодетекторы, установленные на дне резервуаров, были настолько чувствительны, что могли регистрировать отдельные фотоны. Очень точные предположения эксперимента позволили предсказать, что в нем появится ровно 232 фотона. Но когда в прошлом году проводился тест, было зарегистрировано 285 фотонов - на 53 больше, чем ожидалось.
Результаты итальянского поиска темной материи были объявлены в июне 2020 года. С тех пор научный мир анализирует то, что могло вызвать 53 дополнительных сигнала.
Теоретики утверждают, что это не темная материя, а темная энергия.
Первая гипотеза породила концепцию аксионов. Это гипотетические частицы, которые могут появиться из фотонов в звездах под действием сильных магнитных полей. Однако такие частицы никогда не были обнаружены - если они действительно существуют, они являются отличным кандидатом на роль компонента темной материи.
В недавнем исследовании, опубликованном в Physical Review D, ученые из Кембриджского университета и Итальянской национальной астрофизической лаборатории во Фраскати представляют иную концепцию. По их мнению, то, что обнаружил детектор XENON1T, вовсе не было следами темной материи.
Физики говорят, что если бы сигналы, обнаруженные в эксперименте XENON1T, были результатом компонента темной материи, ее должно было бы быть намного больше, чем предполагают теории. И если бы ее было больше, мы бы ее обнаружили - например, наблюдая за более быстрым старением звезд, более массивных, чем Солнце. Однако мы ничего подобного не наблюдаем.
Так откуда же пришли дополнительные сигналы? По словам исследователей, если их источником не темная материя, они могут быть связаны с взаимодействием еще более загадочного компонента космоса - темной энергии. Темная энергия, противодействующая силе гравитации, делает Вселенную больше, чем быстрее она расширяется. По подсчетам, именно она составляет недостающие 68 процентов космического пространства.
«Когда вещи сочетаются друг с другом, как в данном случае, это потрясающе»
Физики построили модель, которая показывает, что частицы темной энергии (а не темная материя) могут объяснить избыточные фотоны, обнаруженные в эксперименте XENON1T. Если такая темная энергия существует, ее кванты (или частицы) также возникли бы в сильных магнитных полях. Но процесс прекратится, когда плотность материи превысит определенный предел. Например, в звездах этого не произошло бы.
Наша модель решает проблему избытка аксионов. Предполагается, что образуются частицы темной энергии, но процесс останавливается в очень плотных объектах. Это также позволяет отделить явления, происходящие в локальном масштабе, где преобладает высокая плотность, от явлений в самом большом космическом масштабе, где плотность материи очень мала, - говорит доктор Санни Вагноцци из Института космологии Кембриджского университета и главный автор исследования.
Мы были удивлены, что это превышение [записанное XENON1T] могло быть вызвано темной энергией, а не темной материей. Но когда все складывается вместе, как в данном случае, это удивительно, - добавляет физик.
Расчеты команды предполагают, что такие эксперименты, как XENON1T, можно использовать для обнаружения темной энергии.
Мы можем узнать, что такое темная материя в ближайшее десятилетие
Это не меняет того факта, что результаты, объявленные в июне прошлого года, еще не подтверждены. Физики не любят говорить об открытиях, пока не обнаружат, что данные соответствуют условию «5 сигм». 5 сигм означает вероятность того, что результатом является совпадение менее 0,00006 процента, что составляет менее одного случая на миллион.
К счастью, на глубине 1400 метров под горой Сан-Грассо был запланирован еще один эксперимент под названием XENONnT. В подземных резервуарах хранилось до 8 тонн жидкого ксенона. Если бы не пандемия коронавируса, которая задержала начало измерений, мы, вероятно, скоро узнали бы результаты.
Теория с темной энергией в главной роли также должна быть подтверждена другими аналогичными запланированными экспериментами: LUX-Zeplin (в подземном исследовательском центре Санфорда в Южной Дакоте) и PandaX-xT (проведенном в подземной лаборатории Китая Цзиньпин в Сычуани). Так что, возможно, мы узнаем, что такое темная материя и темная энергия до конца десятилетия.
Источник: Кембриджский университет, Physical Review D
