CCXXIV. Темная материя: как инженеры ищут следы «трех китов, что держат мир»

Человек всегда был любопытен. Сначала мы хотели узнать, что скрывается за соседним холмом. Затем мы решили исследовать все континенты. Потом наш любопытный взгляд обратился к небу над головой и звездам, что яростно горят во тьме.

Кажется, что наш взор проникает до самых границ вселенной, но то, что мы видим (и о чем только догадываемся) — это лишь малая часть общей картины.

По современным представлениям вся Вселенная лишь частично состоит из видимого вещества. Всё остальное — это темная материя и темная энергия. Темными они называются не случайно. Они не испускают излучения и практически не взаимодействуют с другими материальными объектами.

Астрономические наблюдения за последние десять лет говорят нам, что большая часть Вселенной удерживается вместе формой материи, которую мы не можем видеть.

Только по косвенным признакам, по гравитационным аномалиям, искажениям пространства и времени, мы догадываемся о существовании темной материи.

Исследователи обнаружили, что галактики вращаются быстрее, чем они должны, если светящаяся («обычная») материя — вещество, содержащееся в звездах, — это единственное вещество, объединяющее галактику.

Но что мы на самом деле не видим?

Существует множество версий и каждая из них претендует на истинность.

Возможно, темная материя — это не часть нашего мира.

В некоторых теориях высказывается предположение, что темная материя действует на наш мир через гравитацию, но сама при этом загадочная субстанция расположена в другом (невидимом) измерении.

Мы лишь ощущаем воздействие того, что находится за пределами самой Вселенной.

Но так ли это на самом деле?

Чтобы проверить теории физиков инженеры строят невероятно точные устройства.

Цюрихский университет создал самый чувствительный детектор темной материи в мире, чтобы найти ответы на главные вопросы бытия. XENON1T использует гигантский бак (3,2 тонны) жидкого газа ксенона для детекции темной материи. Массивный бак похоронен в горах в Гран-Сассо, Италия.

Организация XENON Collaboration, проводящая эксперименты с XENON1T, основывается на знаниях 135 исследователей со всего мира. Эксперты надеются, что химические свойства ксенона позволят веществу реагировать с частицами темной материи.

Физики считают, что частицы темной материи будут взаимодействовать только с ядрами атомов «обычной» материи. Но эти реакции, как ожидается, будут очень слабыми. Команда XENON предсказывает, что частицы темной материи попадут в атомы ксенона и выбьют из них электроны. Это приведет к крошечной вспышке света, которую заметят ученые.

Ксенон — бесцветный газ без запаха — кажется идеальным материалом для детектора. Он производит наименьшее возможное радиоактивное излучение, что облегчает идентификацию реакций частиц.

Пока лучшая новость заключается в том, что эксперимент продолжает накапливать данные, что позволит довольно скоро проверить гипотезу WIMP (слабо взаимодействующих массивных частиц, которые, как ожидается, являются основным компонентом темной материи).

Однако этот эксперимент далеко не единственный

На глубине более двух километров, в шахте, которая прекратила свою деятельность 40 лет назад, находятся 27 этажей научно-исследовательского центра лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб).

Криогенный поиск темной материи (CDMS) использует детекторы, охлажденные почти до минимально возможной температуры, минус 273 градуса по Цельсию, для «прослушивания» вибраций, вызванных потоками частиц из космоса.

Самая большая проблема состоит в том, чтобы отфильтровать сигналы, создаваемые обычными материальными частицами. Детекторы CDMS лучше всего предназначены для отделения «обычных» сигналов известных нам частиц от «необычных».

2 километра скалы защищают детектор эксперимента CDMS, поглощая большую часть излучения космических лучей.

Несмотря на предосторожности, детекторы CDMS по-прежнему захватывают фоновые сигналы от гамма-лучей, электронов и протонов. К счастью, эти обычные частицы легко экранируются.

Чтобы ученые «слышали» частицу темного вещества, она должна попасть в атом одного из кристаллов, установленных в основе детекторов CDMS. Кристаллы (германий и кремний) остаются холодными, близкими к абсолютному нулю, чтобы уменьшить движение атомов. Детекторы «слушают» вибрации внутри кристалла, как уши, которые слушают вибрации в воздухе.

Эксперимент CDMS продлится несколько лет. Следующий этап эксперимента, SuperCDMS, пройдет в лаборатории SNOLab в Канаде. SNOLab, расположенная в никелевом руднике в Садбери, Онтарио, является самой глубоко работающей подземной лабораторией в мире.

Установка SuperCDMS будет иметь детекторы, которые в 2,5 раза больше, чем в текущем эксперимент. Строительство запланировано на начало 2018 года.

Подход CDMS, называемый прямым обнаружением, является одним из трех способов искать темную материю. В экспериментах с косвенным обнаружением исследователи используют телескопы, ища эффекты, вызванные темной материей. Коллайдеры являются третьим методом, в котором экспериментаторы пытаются искусственно производить темную материю. Объединение разных результатов, возможно, будет ключом к нашему пониманию принципов существования самого космоса.

В заброшенном золотом руднике в километре под горой в Южной Дакоте ученые работают над созданием камеры, в которой будет находиться небывалые 10 тонн жидкого ксенона.

Эксперимент, который должен начаться на золотых приисках Южной Дакоты в 2020 году, называется LUX-ZEPLIN (LZ). Он является продолжением эксперимента Large Underground Xenon (LUX) и программы поиска темной материи ZEPLIN.

Чтобы ничто не мешало массивному баку жидкого ксенона, команда ученых строит две внешние камеры, которые предназначены для обнаружения и удаления любых загрязняющих частиц. Бак, заполненный 10 000 кг жидкого газа, будет находиться внутри камеры с более чем 500 высокоточных световых детекторов, контролирующих любую активность LZ.

LZ будет работать не менее пяти лет, и, возможно, ему удастся впервые обнаружить WIMP или иным образом найти вещество, которое составляет темную материю.

Открытие новых частиц станет началом новой эры исследований

Мы отчаянно ищем физику за пределами стандартной модели. Открытие, если оно состоится, заложит основу новой физики 21-го века.

Но насытят ли эксперименты наше безмерное любопытство?

В этом я сомневаюсь.

Автор: @randall

Контакты

Чат Легиона Хаоса в телеграм: Scintillam
Личка в телеграм: varwar, lumia, dajana
Тег: chaos-legion

Sequere nobis. Nos scientiam

@chaos.legion