Самый чувствительный детектор в мире не нашел темной материи

Невероятно чувствительный детектор темной материи LUX, погребенный под километровой толщей пород, не нашел ничего за 20 месяцев поиска темной материи — чем существенно сузил диапазон возможных свойств загадочной субстанции. 21 июля на 11-й конференции, посвященной темной материи (IDM2016), которая прошла в Шеффилде, Великобритания, ученые представили результаты работы LUX. На конференции собрались ученые, которые стремятся понять темную материю — из этого загадочного вещества, как полагают, состоит 4/5 массы Вселенной. Пока напрямую ее никто не наблюдал.

«LUX обеспечил миру самую лучшую чувствительность в поисках с момента первого запуска в 2013 году, — заявил Рик Гейтскелл, физик из Университета Брауна и представитель LUX. — С этим конечным результатом исследований, проводимых с 2014 по 2016 год, ученые коллаборации LUX вывели чувствительность прибора на максимальный уровень производительности, который в четыре раза превышает изначальные цели проекта».

LUX — это сокращенно Large Underground Xenon, эксперимент по поиску темной материи. Он находится на глубине 1,6 километра в бывшем золотом руднике Южной Дакоты, который теперь называется Сэнфордский подземный исследовательский объект. Погруженный в 272500-литровый бак очищенной воды, 1,8-метровый титановый бак содержит 302 килограмма жидкого холодного ксенона. Задача ксенона — вспыхнуть в виде электрического заряда, и слабую вспышку света уловят окружающие сенсоры, когда частица темной материи столкнется с одним из его атомов. Толща воды и полуторакилометровая скала должны воспрепятствовать какому-либо другому возмущению спокойствия.

Этот последний результат показывает, что пока ничего, обладающее нужными свойствами, не нарушило спокойствие ксенона.

«Было бы чудесно, если бы улучшенная чувствительность также обеспечила нас четким сигналом темной материи, — говорит Гейтскелл. — Тем не менее, все, что мы наблюдали, согласуется только с фоном».

В поисках вимпов

Хотя ученые никогда не наблюдали темную материю напрямую, они знают, что она играет важную роль в нашей Вселенной: вращение галактик и то, как они изгибают свет, проходящий через них, показывают, что за гравитацию этих систем ответственна дополнительная материя.

LUX был создан для поиска слабо взаимодействующих массивных частиц (вимпов, WIMP) — ведущих кандидатов на роль темной материи. Эти частицы имеют массу в 10-100 раз больше массы протона, но взаимодействуют с обычной материей очень слабо (поэтому ученые не могут их обнаружить, не исхитрившись). Большинство частиц, вроде космических лучей, которые постоянно проливаются на Землю, будут остановлены камнем и водой, защищающими детектор, но вимпы смогут пройти насквозь. Иногда, если ученым повезет, они столкнутся с каким=нибудь атомом в плотно сбитом ксеноне и оставят слабый световой слет (жидкий ксенон прозрачен для фотонов). Другие частицы, которым удастся попасть в ксеноновую баню, вызовут множество вспышек среди ксеноновых атомов, но вимп — только одну.

Исследователи изучили огромный объем данных, собранных тщательно откалиброванным устройством, в рамках 20-месячного эксперимента, который был проведен после более слабого трехмесячного исследования LUX, проведенного в 2013 году и также с отрицательным результатом. Им удалось отфильтровать сигналы в данных, созданные частицами не темной материи, которым удалось попасть в баню и поучаствовать в эксперименте. Следовательно, перед учеными открылась уникальная возможность напрямую изучить взаимодействия темной материи, которые, как ожидалось, будут производить несколько сигналов из ста на килограмм ксенона.

То, что LUX ничего не нашел, не означает, что темная материя не состоит из вимпов; скорее, вмпы темной материи не обладают массой или не могут воздействовать на обычную материю в конкретном заданном диапазоне.

«Мы ждали позитивного сигнала, но природа была не так любезна», сказал Чам Гаг, физик из Университетского колледжа Лондона из участник LUX. «Тем не менее, и нулевой результат имеет большое значение, поскольку он меняет картину, ограничивая модели возможной темной материи».

Двигаемся дальше

LUX — одна из нескольких попыток найти темную материю, и его результаты помогут сузить исследования, которые будут проводиться в рамках следующих экспериментов. Другие эксперименты, вроде COUPP-60, XENON Dark Matter Project в Италии и SUPERCDMS использовали подобные методы сильного экранирования вещества и ожидания естественного появления темной материи.

А вот у эксперимента на Большом адронном коллайдере есть шанс создать темную материю и затем зафиксировать ее сигнал.

«Мы считали это битвой Давида и Голиафа между нами и гораздо большим Большим адронным коллайдером в ЦЕРН в Женеве, — говорит Гейтскелл. — LUX сражался последние три года, чтобы заполучить первое доказательство сигнала темной материи. Теперь нам останется дождаться, не покажет ли первый запуск БАК в этом году частиц темной материи, либо открытие свершится уже после появления нового поколения крупных детекторов».

Новый детектор LUX, LUX-Zeplin, будет в 70 раз чувствительнее LUX. Он займет место LUX, где и продолжит поиски.