Спорное заявление о темной материи наконец пройдет окончательные испытания

В сфере исследований темной материи, как в посудной лавке, есть слон: заявление, в которое трудно поверить, невозможно подтвердить и на удивление трудно объяснить. Но теперь у нас есть четыре инструмента с тем же типом детектора, что был у коллаборации, которой принадлежит это спорное заявление. В течение следующих трех лет эти эксперименты либо подтвердят существование темной материи, либо опровергнут заявление раз и навсегда, говорят физики, работающие над ними.

«Все разрешится», говорит Франк Калаприс из Принстонского университета в Нью-Джерси, руководящий одним из экспериментов.

Первоначальное заявление было сделано коллаборацией DAMA, детектор которой находится в лаборатории глубоко под горным массивом Гран-Сассо к востоку от Рима. Более десяти лет назад она предоставила удивительные доказательства темной материи, невидимой субстанции, которая, как полагают, связывает галактики воедино своим гравитационным притяжением. Первый из новых детекторов начнет работать в Южной Корее уже через несколько недель. Остальные будут запущены в ближайшие несколько лет в Испании, Австралии и Гран-Сассо. Все они будут использовать кристаллы иодида натрия для поиска темной материи, чего не делал ни один крупномасштабный эксперимент, не считая DAMA.

Ученые весьма уверены в существовании темной материи и в том, что ее минимум в пять раз больше обычного вещества. Но ее природа остается загадочной. Ведущая гипотеза заключается в том, что по крайней мере часть ее массы состоит из слабо взаимодействующих частиц (вимпов), которые должны иногда сталкиваться с атомными ядрами на Земле.

Кристаллы иодида натрия должны производить вспышку света, если такое произойдет в детекторе. И хотя естественная радиоактивность тоже производит такие вспышки, DAMA заявила об обнаружении вимпов еще в 1998 году, опираясь на тот факт, что число вспышек, произведенных за день, колебалось в зависимости от времен года.

Именно это можно было бы ожидать, если сигнал производится вимпами, которые проливаются на Землю по мере движения Солнечной системы через гало темной материи Млечного Пути. В таком случае число частиц, пересекающих Землю, должно достигать своего пика, когда орбитальное движение планеты выравнивается с движением Солнца, в начале июня, и понижаться, когда движение идет против Солнца, в начале декабря.

Но есть одна большая проблема. «Если это действительно темная материя, многие другие эксперименты уже ее бы увидели», говорит Томас Швец-Мангольд, физик-теоретик из Технологического института Карлсруэ в Германии — и никто пока не видел. Но в то же время все попытки найти слабые места в эксперименте DAMA, включая эффекты окружающей среды, которые ученые не принимали во внимание, не увенчались успехом. «Сигнал модуляции есть», говорит Кайцзюан Ни из Калифорнийского университета в Сан-Диего, работающий над экспериментом по поиску темной материи XENON1T. «Но как интерпретировать этот сигнал — в пользу темной материи или чего-нибудь еще — непонятно».

Никакой другой полномасштабный эксперимент не использовал иодид натрия в детекторе, хотя KIMS в Южной Корее использовал иодид цезия. Таким образом, остается возможность того, что темная материя взаимодействует с натрием как-то иначе, чем с другими элементами. «Пока кто-то не запустит детектор на том же элементе, который оставил намек, нельзя быть ни в чем уверенным», говорит Хуан Коллар из Университета Чикаго в Иллинойсе, работавший над несколькими экспериментами темной материи.

Многие столкнулись со сложность выращивания кристаллов иодида натрия с требуемой степенью чистоты. Загрязнения калием, у которого имеется естественный радиоактивный изотоп, тоже стоят особняком.

Но трем группам ученых — KIMS, DM-Ice из Йельского университета в Нью-Хейвене и ANAIS из Университета Сарагоса в Испании — удалось получить кристаллы с уровнем фоновой радиоактивности в два раза меньше, чем было у DAMA. Это достаточно чисто, чтобы проверить ее результаты, говорят ученые.

Ученые KIMS и DM-Ice построили детектор с иодидом натрия совместно с подземной лабораторией Янъян в 160 километрах к востоку от Сеула. Этот инструмент использует датчик «активного вето», которое позволит лучше выделить сигнал темной материи на фоне шума, чем DAMA, говорит Йенгдук Ким, директор Центра подземной физики Южной Кореи в Тэджоне, руководящий KIMS.

ANAIS строит аналогичный детектор в подземной лаборатории Канфранк в испанских Пиренеях. Вместе, KIMS, DM-Ice и ANAIS будут располагать более 200 килограммов иодида натрия и обмениваться данными. Если сравнивать с 250 килограммами, которые были у DAMA, ученые рассчитывают поймать схожее число вимпов. И хотя у новых детекторов будет более высокий уровень фонового шума, они смогут либо фальсифицировать, либо воспроизвести самый мощный сигнал DAMA, говорит Рейна Маруяма из Йельского университета, руководящая DM-Ice.

Но Калаприс утверждает, что высокая чистота важнее массы. Вместе с коллегами он разработал способ снизить загрязнения, а в январе заявил о получении кристаллов, которые чище, чем кристаллы DAMA. Он надеется снижать фоновый уровень и дальше, вплоть до одной десятой DAMA.

Его проект SABRE (иодид натрия с активным фоновым отторжением) разместит один детектор в Гран-Сассо и еще один в лаборатории подземной физики Стоуэлл, которая строится в золотой шахте в Виктории, Австралия. SABRE будет использовать детектор, отделяющий сигнал темной материи от шума, и весить порядка 50 килограммов.

SABRE завершит свои исследования и разработку примерно через год и вскоре после этого начнет строить свои детекторы, говорит Калаприс. Затем технология станет доступна для других лабораторий — чего не делала DAMA. И если заиметь два одинаковых детектора в северном и южном полушарии, можно понять, могли ли эффекты окружающей среды подделать сезонность темной материи в результатах DAMA — если сигнал поступил от вимпов, оба детектора увидят пики в одно время.

В DAMA весьма уверены в своих результатах, говорит Рита Бернабеи из Университета Рима. Она не особо взбудоражена грядущим запуском детекторов на иодиде натрия. «Наши результаты были многократно подтверждены за 14 лет, поэтому у нас нет причин с нетерпением ждать, чего сделают другие», говорит она. Если другие эксперименты не увидят ежегодных модуляций, коллаборация просто решит, что они были недостаточно чувствительными.

Но что, если ученые DAMA окажутся правы? «Сначала я не хотела верить результатам DAMA, даже всерьез их не принимала», говорит Кэтрин Фриз, физик-теоретик астрочастиц из Мичиганского университета в Анн-Арбор, предложившая метод сезонной модуляции, используемый DAMA. Но поскольку другого объяснения их сигналу не нашли, ее это обнадежило. «Чем больше человек изучает их эксперимент, тем больше он понимает, насколько хорошо тот сделан».