Охотники за скрытой массой космоса отчитались о первых результатах
Физики довольно давно не поставляли общественности новых интересных данных о гипотетически существующих во Вселенной вимпах. Но недавно были объявлены первые интересные результаты эксперимента LUX-ZEPLIN, который проводится в США. И эти данные дают много новой информации для размышления.
Напомним (и расскажем тем, кто не знал), что вимп — это гипотетическая частица, которая может быть составляющей тёмной материи. То есть из неё состоит тёмная материя, которую мы не можем увидеть в телескопы, однако понимаем, что она существует по гравитационному воздействию, которое она оказывает на окружающие её объекты.
Так, тёмная материя фактически сдерживает галактики от разбегания во все стороны. Звёзды двигаются в них на таких высоких скоростях, что одной их гравитации было бы недостаточно для удержания светил вместе. И в качестве "ремня безопасности" на каждой такой карусели выступает именно тёмная материя.
Физики предполагают, что какие-то невидимые (то есть не взаимодействующие с излучением) и неизвестные науке частицы, составляющие тёмной материи, обеспечивают звёздам дополнительное притяжение. И в качестве таких частиц они и рассматривают вимпы.
Название "вимп" происходит от аббревиатуры WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), что переводится на русский язык как "слабо взаимодействующая массивная частица".
Термины "вимп" и "тёмная материя" были предложены в 1986 году американским космологом Майклом Тёрнером.
Считается, что тёмная материя составляет 85% всей материи Вселенной. Однако мы до сих пор не можем понять, из чего же она, из каких частиц, состоит.
И вот физики, работающие с крупнейшим в мире детектором тёмной материи — американским LUX-ZEPLIN (или LZ) —озвучили свои первые результаты по поиску вимпов.
Учёные, работающие с данными LZ, пока не нашли в них признаков того, что они ищут. Однако и этот поиск без явного результата всё же имеет большое значение для науки и нашего понимания Вселенной.
Детектор в США включается одновременно с аналогичными детекторами в Италии и Китае. Вместе они, вероятно, представляют собой предпоследнее поколение детекторов для ловли вимпов. А, может быть, это будет и последнее поколение. Этого мы пока точно не знаем, но узнаем в ближайшие годы.
Новые данные представляют собой 65 дней наблюдений, которые проводились на протяжении четырёх месяцев, начиная с декабря 2021 года.
Это лишь небольшая часть из 1000 дней сбора данных, которые будут распределены по ближайшим 3-5 годам наблюдений. Однако уже сейчас ясно, что детектор работает хорошо и теперь является самым чувствительным в мире.
"Мы могли бы увидеть избыток [событий], если бы он был, — говорит Ричард Гейтскелл, физик из Университета Брауна и член коллаборации LZ, — однако его [пока] нет".
С 1980-х годов многие физики считали, что тёмная материя состоит из вимпов, которые взаимодействуют с обычной материей только посредством гравитации и слабого ядерного взаимодействия.
Вимпы возникли естественным образом после Большого взрыва и должны оставаться в достаточном количестве, чтобы объяснить тёмную материю. Правда, при одном важном условии: они должны быть примерно в 100 раз массивнее протона (а это действительно много для элементарных частиц).
Вимпы, как полагают учёные, пронизывают Галактику, планеты и даже нас с вами. Однако изредка они всё же врезаются в ядра атомов, и вот эти столкновения уже можно обнаружить.
Для поиска вимпов физикам нужно всего-то построить огромный детектор глубоко под землёй, где им не будет портить картину постороннее космическое излучение. Там можно будет найти "искры", сигнализирующие о встрече вимпов с ядрами.
Правда, чтобы поймать эти всплески излучения нужны очень чувствительные детекторы. И в течение последних 20 лет учёные разрабатывали всё более крупные аппараты.
Они состоят из резервуаров с жидким ксеноном, сверху и снизу покрытых чувствительными к определённому типу излучения трубками.
В данном случае эксперимент LZ состоит из двух титановых резервуаров, встроенных один в другой и окружённых ещё более крупной системой защиты для улавливания частиц, которые могут "подделывать" сигнал тёмной материи.
К слову, ксенон был выбран неслучайно. Этот благородный газ может защищать происходящее во внутреннем баке от фоновых процессов.
Как поймать неуловимую частицу?
Когда вимп сталкивается с ядром атома, словно шары на бильярдном столе, ядро производит заметную вспышку (ту самую "искру").
Кроме того, электроны, высвобождаемые ускоряющимся ядром, направляются искусственным электрическим полем к верхней части резервуара, где присутствует тонкий слой газообразного ксенона. Здесь порождается вторая вспышка.
Детекторы, расположенные сверху и снизу резервуара, не пропустят и один фотон света. Поэтому учёные могут поймать нужный сигнал и установить его местоположение с точностью до миллиметров. В то же время по интенсивности сигнала можно определить энергию взаимодействия.
Сравнивая интенсивность и время попадания вспышек на детекторы, исследователи могут отличить нужные им события от других похожих.
Центральный резервуар эксперимента LZ содержит десять тонн очень чистого жидкого ксенона и располагается на глубине 1480 метров в подземном исследовательском центре Сэнфорда. Учёные не стали копать для этого отдельный подземный лаз, а воспользовались имеющейся полостью: заброшенным золотым рудником недалеко от города Лида в Южной Дакоте.
Исследователи коллаборации LZ зафиксировали 335 событий с участием ядер, сообщил на онлайн-семинаре Хью Липпинкотт, физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и представитель команды LZ, состоящей из 287 человек (представляют университетов и институтов Южной Кореи, Португалии, Великобритании и США).
Однако это число примерно соответствует числу фоновых событий, которые обычно имеют место. Например, даже под землёй и в хорошо изолированной системе происходит пробег радиоактивных изотопов, таких как свинец-214. Поэтому физики коллаборации LZ пришли к выводу, что им пока не удалось обнаружить вимпы.
Отсутствие результата — тоже результат?
Но нулевой результат по-прежнему имеет значение. Например, стало понятно, что на данный момент LZ — самый чувствительный прибор такого рода.
Физики не могут точно предсказать массу вимпа или то, насколько сильно он должен взаимодействовать с обычным веществом.
Но исследователи LZ установили самые строгие ограничения на силу этих взаимодействий для вимпов с массой примерно в 10–10 000 раз больше, чем у протона.
Новые ограничения, полученные командой LZ в ходе первых исследований, превышают ограничения, опубликованные в декабре 2021 года командой, использующей детектор PandaX-4T, содержащий 3,7 тонны жидкого ксенона и расположенный в китайской подземной лаборатории Цзиньпин.
Что же будет дальше?
"Мы планируем собрать в 20 раз больше данных в последующие годы, так что мы только начали. Впереди много науки, и это очень волнительно!", ‒ говорит Хью Липпинкотт.
Также сегодня охотятся за вимпами коллаборации серии XENON. Эксперимент XENONnT проводят на 5,9-тонном детекторе в подземной национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Это четвёртый "подход к снаряду" для физиков. Ожидается, что первые результаты будут опубликованы в конце 2022 года.
Кроме того, вимпы продолжают искать и в Китае на установке PandaX-4T.
Также охотники за вимпами уже создают макеты возможного будущего детектора жидкого ксенона с массой благородного газа 80 тонн. Он позволит ещё больше повысить точность наблюдений.
Такой детектор довёл бы возможности поиска вимпов с помощью ксенона до предела, потому что при таких размерах его чувствительность достигает уровня, когда можно обнаруживать поток нейтрино, исходящих от Солнца.
Нейтрино будут вносить хаос в сигналы, так как эти события будет сложно отличить от столкновений вимпов с ядрами атомов. Соответственно, строить детекторы большего размера уже не имеет смысла.
Лан отмечает, что команды экспериментов LZ и XENON уже начали совместную работу над концепцией соответствующей научной установки.
Почему физики последнее время молчат про вимпы?
Энтузиазм в отношении вимпов как кандидатов на частицы тёмной материи в последние годы несколько поугас. Но не только потому, что прямые поиски с помощью ксеноновых детекторов до сих пор не увенчались успехом, но и потому, что крупнейший в мире ускоритель Большой адронный коллайдер пока ещё не помог учёным найти что-либо, что могло бы выглядеть как вимп.
Теперь же физики получают новую возможность исследовать на наличие вимпов возможные диапазоны массы и сил взаимодействий, которые, согласно теории, должны быть характерны для вимпов.
"Другими словами, половина [возможностей], о которых мы мечтали десятилетие или два назад, всё ещё живы и здоровы", ‒ объясняет Рафаэль Лан, физик и член команды XENON из Университета Пердью.
Препринт статьи авторов первых результатов коллаборации LZ вышел на сайте arXiv.org.
Также можно посмотреть видео с презентацией результатов. И, собственно, саму презентацию.
Ранее мы рассказывали о предложении учёных поискать вимпы с помощью всемирной сети магнетометров, а также самой планеты Земля.
Больше важных и интересных новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".
Подписывайтесь на наши страницы в соцсетях:
"Смотрим" ‐ ВКонтакте, Одноклассники, Яндекс.Дзен и Telegram
Вести.Ru ‐ ВКонтакте, Одноклассники, Яндекс.Дзен и Telegram.