В поисках темной материи: предложены два новых интересных метода

Где же темная материя? Ученые, которые десятилетиями охотятся за этим эфемерным веществом, если его можно так назвать, начинают переживать, что ищут не там. В конце концов, как можно искать вещество, из которого состоит большая часть массы Вселенной, и не находить? После того, как последние результаты  оставили ученых ни с чем, несмотря на применение самых чувствительных детекторов, частицы темной материи можно попытаться найти в небольшом теоретическом диапазоне масс и прочих характеристик. Сейчас ученые предлагают два метода, которые могли бы покрыть эту оставшуюся территорию.

Большая часть массы Вселенной приходится на темную материю (около 80%). И хотя мы не можем ее увидеть или потрогать, ученые знают, что ее гравитация искажает изображения удаленных объектов и удерживает галактики вместе. Начиная с 1980-х годов эксперименты идут один за другим, протекают глубоко в горах и шахтах, когда ученые терпеливо пытаются засечь хоть одну частицу темной материи. Большой адронный коллайдер сталкивает другие частицы вместе, пытаясь создать темную материю в этом процессе. Но пока неуловимое вещество все не появляется на виду. Ни БАК, ни LUX (Large Underground Xenon) в Южной Дакоте ничего не показали. Сейчас ученые все чаще задумываются о том, что эти эксперименты ищут не те частицы, а поиск темной материи потребует новых методов.

До сих пор поиски темной материи в основном были сосредоточены на «слабо взаимодействующих массивных частицах» (вимпах, WIMP) — теоретических частицах весом между 1 ГэВ и 1 ТэВ, между одной и тысячью масс протона. Многие физики давно считают их самыми перспективными кандидатами на роль частиц темной материи, поскольку теория подразумевает, что вимпы должны вносить примерно столько же массы во Вселенную, сколько и темная материя, которую измерили астрономы. Только вот пока эти частицы упорно отказываются появляться. Все эксперименты, как правило, пытаются найти редкие проявления вимпов, сталкивающихся с атомами в контрольном веществе; в случае с LUX этот материал — жидкий ксенон, в других используют твердый германий или другие вещества.

«Парадигма вимпов сейчас в осаде» после стольких неудач, которые существенно сократили число мест, где они могут скрываться, говорит Кэтрин Журек из Национальной лаборатории Лоренса Беркли в Беркли, штат Калифорния. Журек приводит два недавних исследования, предлагающих новые способы поиска темной материи в форме частиц, которые могут быть легче вимпов, вроде так называемой асимметричной темной материи. Такие частицы могли бы взаимодействовать с обычными частицами в форме пока еще не открытой темной силы. «Идея в том, что может быть скрытый сектор, в котором темная материя будет очень легкой и взаимодействовать с обычными частицами в индивидуальном порядке», говорит Журек. «Люди начали задумываться об этой парадигме не больше десяти лет назад».

Вместо традиционных материалов, которые используются для (попыток) обнаружения темной материи, группа Журек в первом случае использует сверхпроводящий алюминий, в котором электроны могут перемещаться без какого-либо сопротивления. В сверхпроводнике электроны связываются в так называемые «куперовские пары». Энергия от поступающей частицы темной материи может разбить одну из таких пар и послать через сверхпроводник вибрации, которые уловит сверхчувствительный детектор тепла (TES). Об этом методе ученые рассказали в январе в Physical Review Letters.

Второй метод и второй случай был представлен в прошлом месяце также в Physical Review Letters. Он использует сверхтекучий гелий, жидкость с нулевой вязкостью из переохлажденных атомов гелия, которые могут двигаться относительно друг друга без какого-либо сопротивления. Поступающая частица темной материи могла бы вступить в контакт с ядром гелия и вызвать цепную реакцию, которая отправит серию фотонов, квантовых звуковых волн, в TES. Оба метода рассчитаны на очень легкий стук в дверь от темной материи, куда легче, чем ожидают другие эксперименты, и могли бы засечь частицы массой в 1 кэВ, одну миллионную массы протона. Традиционные эксперименты рассчитаны на частицы весом в 10 МэВ, в десять тысяч раз тяжелее кэВ.

Впрочем, и нынешнее поколение экспериментов по поиску темной материи получает обновление. LUX становится LUX-ZEPLIN, или экспериментом LZ; XENON100 в Италии становится XENON1T; SuperCDMS в Миннесоте переезжает на новое место в Канаде. Но даже улучшенные их версии смогут почуять частицы до 10 МэВ в лучшем случае. Если ничего не найдут, ученые, вероятнее всего, обратятся к предложениям Журек и попытаются поискать еще более легкие частицы. Но эти эксперименты потребуют дополнительных исследований и разработок в области сверхпроводящего алюминия и сверхтекучего гелия, разработки и непосредственного создания детекторов на их основе. «Эти эксперименты будут технически сложными, но не очень дорогими», считает Журек.

«Поиск в этом направлении начался отчасти потому, что мы не нашли стандартных вимпов», говорит Дэн Бауэр, ученый из Национальной ускорительной лаборатории Ферми в штате Иллинойс, представитель SuperCDMS. Хотя ученые все еще питают надежду найти вимпы с более высокой массой, «мы осознали, что всегда искали свет под фонарями. Но есть много больше территории, доступной для частиц темной материи с меньшей массой».

Пока экспериментаторы строят детекторы для поиска более легких частиц, теоретики перебирают идеи на тему возможных частиц темной материи. «Теоретики очень креативны», говорит Боб Якобсен, физик из Калифорнийского университета в Беркли, работающий на LUX и LZ. «Если есть еще не изученный регион масс, теоретики сделают что-нибудь математически последовательное с ним. А когда опубликуют, нашей задачей будет отфильтровать все варианты».

Детекторы на основе сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей потребуют от физиков разделения их времени между текущими поисками и новыми исследованиями, говорит Крис Талли, физик Принстонского университета. «Придется строить эти технологии параллельно с текущими экспериментами», говорит он. Сам он рассчитывает увидеть рабочие макеты уже через пять-десять лет (хотя сама Журек больше склоняется к десятилетнему отрезку времени). Современные эксперименты располагаются глубоко под землей, чтобы быть защищенными от космических лучей, которые создают лишний шум. Эксперименты на основе сверхпроводников или сверхтекучих жидкостей потребуют экранирования от электромагнитных волн, вроде тех, что у нас в телефонах. Но работа в этом направлении уже ведется.