С обнаружением давно предсказанного “нейтринного тумана” поиск частиц темной материи вступил в новую эру, полную как возможностей, так и опасностей
Многолетние поиски темной материи могут в конечном итоге зайти в тупик.
Это таинственное вещество, которое, как считается, удерживает галактики вместе, также должно окружать наши тела и даже проходить через них. Однако мы не видим и не чувствуем его, потому что темная материя нечасто взаимодействует с обычной материей. В надежде обнаружить редкие столкновения между предполагаемыми частицами темной материи и атомными ядрами физики строили все более крупные детекторы, которые улавливают слабые сигналы, и закапывали их глубоко под землей, вдали от космических лучей и большинства форм помех. Теперь детекторы обнаружили нечто совершенно иное: солнечные нейтрино, крошечные призрачные частицы, которые проходят сквозь обычную материю и могут маскировать сигналы темной материи.
Беглый взгляд на то, что физики окрестили “нейтринным туманом”, подчеркивает замечательную чувствительность современных детекторов, но также устанавливает жесткие ограничения на возможное будущее существующих методов поиска темной материи. Доказательством этого знаменательного события являются два конкурирующих эксперимента на переднем крае этой области: XENONnT в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Аквиле, Италия, и PandaX-4T (часть экспериментов с частицами и астрофизическим ксеноном, или PandaX) в подземной лаборатории Цзиньпина в Китае. В каждом проекте в качестве детектора используется гигантский резервуар с чрезвычайно холодным жидким ксеноном. Обе команды представили свои результаты в отдельных презентациях ранее в этом месяце на конференции в Аквиле, а команда PandaX-4T расширила свои выводы в препринте, опубликованном 15 июля.
“В результате мы действительно расширяем возможности прибора”, - говорит Кнут Моро, статистик, работающий над XENONnT. Члены команды PandaX-4T выразили аналогичное волнение по поводу своей находки в электронном письме Scientific American, отметив, что это “демонстрирует богатство текущей и будущей физической программы PandaX”. Обе команды подчеркивают, что нейтринный туман не помешает их текущим поискам темной материи, которые планируется продолжить еще несколько лет.
Нейтринный туман возникает в результате рокового космического совпадения. Реакции термоядерного синтеза, которые позволяют светить нашему солнцу, также порождают быстродвижущиеся и легковесные нейтрино, которые могут поражать ядра ксенона с точно таким же импульсом, который был предсказан для гораздо более медленных и тяжелых гипотетических частиц темной материи.
“События неразличимы по одному, но [в совокупности] ожидаемый поток нейтрино имеет другую спектральную форму, чем [то, что предсказывается] многими моделями темной материи”, - говорит Моро, объясняя, как обе команды в первую очередь отметили туман. Кроме того, количество возможных столкновений, наблюдаемых обоими проектами, соответствовало прогнозам, основанным на хорошо зарекомендовавшей себя солнечной физике, подтверждая тот факт, что события были связаны с солнечными нейтрино, а не с какой-то неожиданной разновидностью темной материи.
Статистическая мощь, связанная с двухлетними открытиями XENONnT и PandaX-4T, едва дотягивает до строгих пороговых значений в этой области для “доказательств”, не говоря уже об ”открытиях". Но исследователи, которые не принимали участия в экспериментах, говорят, что причин для сомнений мало. В дополнение к почти сверхъестественному совпадению моделей ученых, результаты дают вероятность ложной тревоги менее 0,4 процента. “В любой другой области науки [это] похоже на 100-процентную гарантию открытия”, - говорит Бен Кэрью, студент магистратуры физики, который ранее работал в Центре передового опыта Австралийского исследовательского совета в области физики частиц темной материи при Университете Сиднея.
Моро, увидев результат эксперимента, испытал облегчение, а затем и волнение. Результаты подтвердили, что детектор XENONnT успешно справился с трудной задачей блокирования почти всех других нежелательных сигналов — благо для области, которая исторически не знала побед. “Это значит, что мы не видели никаких странных гремлинов”, - говорит он.
За последние четыре десятилетия поколения детекторов темной материи работали над тем, чтобы “видеть только лучше”, - говорит Кьяран О'Хара, исследователь темной материи из Сиднейского университета. “Сейчас мы вступаем в новую эру, когда эти детекторы действительно могут сделать некоторые ценные научные открытия, хотя это та наука, которая [может] помешать им делать то, для чего они изначально были созданы ”.
В настоящее время нейтринный туман не препятствует поиску темной материи, и не ожидается, что это произойдет в детекторах следующего поколения. Солнечные нейтрино маскируют разновидности предполагаемых частиц темной материи с довольно малой массой, которые пока слабо исследованы в обоих экспериментах. Прогресс, вероятно, будет остановлен нейтрино только через 10-15 лет.
Теоретически, современные детекторы могли бы начать выявлять тонкие различия между сигналами нейтрино и сигналами темной материи, если бы они собрали тысячи дополнительных точек данных. Однако для этого потребуются ресурсы, которых не хватает обеим командам. За два года детектор XENONnT зарегистрировал около 40 нейтрино, а PandaX-4T - около 75. Чтобы “пробиться сквозь туман”, по словам О'Хары, исследователям нужно было бы построить детектор в 100 раз большего размера или провести эксперимент, который был бы в 100 раз дольше. Исследователи могли бы сэкономить время, сравнив результаты аналогичных экспериментов с использованием детекторов на основе аргона или германия. Или они могли бы учесть ежегодные колебания количества солнечных нейтрино в своих моделях. Но в конечном итоге поиск все равно будет опираться на “грубую силу”, говорит он.
О'Хара сам является участником международного сотрудничества под названием CYGNUS, которое разрабатывает запасной подход — новое устройство обнаружения темной материи, отслеживающее небесные источники прилетающих частиц. Солнечные нейтрино поступают от солнца, в то время как частицы темной материи, как ожидается, будут поступать со стороны одноименного созвездия Лебедя. Хотя большинство теоретиков подозревают, что темная материя равномерно распределена по звездному диску Млечного Пути, Солнечная система в настоящее время движется по диску в направлении Лебедя, а это означает, что детекторы должны зарегистрировать “встречный ветер” из частиц темной материи из этой общей области неба.
Однако для разработки такого устройства, вероятно, потребуется несколько лет. Создание достаточно чувствительного и точного детектора и без добавления дополнительных возможностей уже является сложной задачей, указывает Кэрью.
О'Хара считает, что недавние технологические достижения, а также повышенное внимание к туману могут придать CYGNUS больший импульс. “[Этот альтернативный подход] исторически не имел такого толчка”, - говорит он. “Я думаю, это постепенно начнет меняться”.
Изменения также могут произойти из-за того, что физики переосмыслят, какую форму может принимать темная материя, указывает О'Хара. Как и большинство экспериментов на сегодняшний день, XENONnT и PandaX-4T предполагают, что темная материя проявляется в виде WIMP, или слабо взаимодействующих массивных частиц. По мере того, как продолжаются попытки исключить различных кандидатов в WIMP, растет интерес к другой идее: что темная материя состоит из аксионов. Эти гипотетические частицы намного легче WIMP и могут быть обнаружены другими способами.
Если детекторы темной материи действительно поддадутся воздействию тумана, ученые могли бы перепрофилировать приборы для изучения нейтрино. Несколько специальных экспериментов идентифицируют и наблюдают эти необычные частицы, но взаимодействия, подобные тем, о которых сообщают XENONnT и PandaX-4T, — столкновения между солнечными нейтрино и целыми атомными ядрами — никогда раньше не фиксировались. Дополнительные данные могли бы не только подтвердить существующие выводы, но и дать начало новым видам измерений. Особый интерес для команды PandaX-4T представляет гипотетическая форма радиоактивного распада — безнейтринный двойной бета—распад, - который, если его наблюдать, может разрешить дебаты о том, есть ли у нейтрино собственная античастица. “Физические возможности PandaX следующего поколения намного богаче, чем просто поиск темной материи”, - рассказали Scientific American члены команды.
С помощью инструментов на основе ксенона или без него, поиски частиц темной материи, скорее всего, продолжатся. Ответ на вопрос о том, что именно составляет невидимую материю Вселенной — или что еще, кроме темной материи, объясняет определенные космические причуды, — потенциально может революционизировать законы физики, подчеркивает О'Хара. “Возможно, природа дала нам эту частицу, которая не делает ничего, кроме [помощи] в формировании галактик”, - говорит он. “Но мы никогда бы не узнали, если бы не испробовали все”.
САЙМА С. ИКБАЛ - стажер Scientific American. Она специализируется на здоровье и медицине и базируется в Нью-Йорке.
