Хабрахабр

[Перевод] Новая охота на тёмную материю проходит под горой

Давид Д’Анджело не всегда интересовался тёмной материей, но теперь он попал на передний край охоты за наиболее неуловимой частицей во Вселенной

Они известны своей природной красотой и притягивают туристов круглый год, предлагая горнолыжные курорты мирового класса и пешеходные маршруты зимой, а также возможность купаться летом. Примерно в часе езды от Рима расположилось плотное скопление гор под названием Гран-Сассо-д’Италия. В отличие от большинства посетителей Гран-Сассо, Д’Анджело проводит большую часть времени под горами, а не на них. Для 43-летнего итальянского физика Давида Д’Анджело эти горы – всё равно что второй дом.

Там, в изобилующем пещерами пространстве в тысяче метров под поверхностью земли, Д’Анджело работает над новым поколением экспериментов, посвящённых охоте за частицами тёмной материи – экзотической формы материи, чьё существование предполагается уже несколько десятилетий, но пока ещё не было доказано экспериментально.

Хотя Д’Анджело оптимистично считает, что прорыв произойдёт ещё при его жизни – точно так же думало и предыдущее поколение физиков. Считается, что тёмная материя составляет до 27% Вселенной, и описание этой неуловимой субстанции – одна из наиболее острых проблем современной физики. Однако для физиков, зондирующих фундаментальную природу Вселенной, возможность провести всю карьеру в «охоте за привидениями», как говорит Д’Анджело – это цена продвижения науки.
В принципе, есть неплохие шансы на то, что частицы, разыскиваемые Д’Анджело, вообще не существуют.

Что лежит под «великим камнем»?

В 1989 году итальянский Национальный институт ядерной физики открыл Национальную лабораторию в Гран-Сассо – крупнейшую подземную лабораторию мира, посвящённую астрофизике. Изобилующие пещерами три подземных зала Гран-Сассо были специально построены для физиков – довольно шикарная обстановка для исследовательского центра. Большая часть подземных астрофизических лабораторий, например, SNOLAB, устраиваются спонтанно, используя старые или работающие шахты, и этот факт ограничивает количество времени, которое можно провести в лаборатории, и типы используемого оборудования.

За последние несколько лет Д’Анджело делил свой график между обсерваторией Борексино и детектором на основе йодида натрия с активным отсеиванием фона (Sodium Iodide with Active Background Rejection Experiment, SABRE), исследующим солнечные нейтрино и тёмную материю, соответственно. Гран-Сассо, расположенная в километре под землёй для того, чтобы защитить её от шумных космических лучей, омывающих планету, приютила несколько экспериментов по физике частиц, зондирующих основы Вселенной.


Д’Анджело с работающим прототипом SABRE

Сегодня загадка солнечных нейтрино раскрыта, однако эти частицы всё ещё крайне интересны физикам, поскольку дают много информации о ядерном синтезе, происходящего в нашем Солнце и других звёздах. За последние 100 лет описание солнечных нейтрино и тёмной материи считаются наиболее важными задачами физики частиц. Несмотря на совершенно разную природу этих частиц, вопросы их изучения пока что связаны, поскольку эти частицы можно обнаружить только в условиях минимального фонового излучения: в тысячах метров под землёй. А вот состав тёмной материи всё ещё считается одним из крупнейших вопросов ядерной физики.

– Это наиболее любимая часть моего исследования: заходишь в пещеру, начинаешь работать с детектором и пытаешься понять сигналы, которые видишь». «Горы работают как щит, поэтому если вы находитесь под ними, то испытываете так называемую „космическую тишину“, — сказал Д’Анджело.

Большую часть четырёх десятилетий солнечные нейтрино находились в центре одной из крупнейших загадок астрофизики. Закончив институт, Д’Анджело получил работу в итальянском Национальном институте ядерной физики, где его исследования концентрировались на солнечных нейтрино, субатомных частицах без заряда, появляющихся в результате ядерного синтеза на Солнце. Проблема была в том, что инструменты, измеряющие энергию солнечных нейтрино, давали результаты гораздо меньшие, чем предсказанные Стандартной Моделью – наиболее точной теорией фундаментальных частиц в физике.

Одним из возможных объяснений было то, что физики составили неправильную модель Солнца, и что необходимо было провести улучшенные измерения давления и температуры в его ядре. Учитывая, насколько точной оказалась стандартная модель в других аспектах космологии, физики не хотели вносить в неё изменения, чтобы учесть это несоответствие. Однако после серии наблюдений в 60-х и 70-х оказалось, что в целом модели Солнца были составлены правильно, и тогда физики обратились к нейтрино за альтернативными объяснениями.

Сказка о трёх нейтрино

С тех пор, как австрийский физик Вольфганг Паули в 1930-х впервые предположил существование нейтрино, их постоянно привлекали для того, чтобы затыкать дыры в теориях. В случае Паули предположение о существовании чрезвычайно лёгких частиц, не имеющих заряда, было «отчаянным средством» для объяснения того, почему закон сохранения энергии не работает при радиоактивном распаде. Три года спустя итальянский физик Энрико Ферми дал этим гипотетическим частицам имя. Он назвал их "нейтрино", что по-итальянски означает «маленькие нейтроны».

В следующем, 1957 году, Бруно Максимович Понтекорво, физик итальянского происхождения, работавший в СССР, разработал теорию нейтринных осцилляций. Четверть века спустя после предположения Паули двое американских физиков отчитались о первых свидетельствах получения нейтрино в ядерном реакторе. В таком случае, предполагал он, было возможно, что нейтрино могут менять свои типы. В то время свойства нейтрино были изучены слабо, и Понтекорво предположил, что нейтрино бывают нескольких типов.

Было открыто три разных типа, или «аромата» нейтрино: электронное, мюонное и тау. К 1975 году теорию Понтекорво доказали. Единственной проблемой было то, что в эксперименте фиксировалось меньше нейтрино, чем предсказывала Стандартная Модель. Также важно, что наблюдения в эксперименте в Южной Дакоте показали, что Солнце производит электронные нейтрино.

В 1998-м группа исследователей, работавших в японской обсерватории Супер-Камиоканде, наблюдала осцилляции атмосферных нейтрино, возникающих в основном в результате взаимодействий фотонов с атмосферой Земли. До конца 90-х существовали скудные свидетельства того, что нейтрино могут переходить из одного аромата в другой. Через три года в канадской обсерватории в Садбери (SNO) были получены первые прямые свидетельства осцилляций солнечных нейтрино.

Разрешилась загадка пропавших солнечных нейтрино, или того, почему в экспериментах наблюдалось порядка трети нейтрино, летящих от Солнца, по сравнению с предсказаниями Стандартной Модели. Это, мягко говоря, стало большим событием в космологии. До середины 80-х в большинстве экспериментов на Земле искали только электронные нейтрино, что значит, что они упускали два других аромата, появляющихся по пути от Солнца к Земле. Если нейтрино могут осциллировать, меняя аромат, то нейтрино, испущенные ядром Солнца, уже могут быть разных типов к тому времени, когда достигнут Земли.

И это решение окупилось. Когда в 80-х задумывали SNO, его разрабатывали так, чтобы он смог засечь все три типа нейтрино, а не только электронные. В 2015 году директора экспериментов Супер-Камиоканде и SNO разделили Нобелевскую премию по физике за решение загадки недостающих солнечных нейтрино.


Детектор в Борексино

С 2007 года обсерватория Борексино в Гран-Сассо улучшала измерения колебаний солнечных нейтрино, что дало физикам беспрецедентную информацию о ядерном синтезе, питающем Солнце. Хотя загадка солнечных нейтрино решена, в науке остаётся ещё многое сделать ддя того, чтобы лучше в них разобраться. Снаружи обсерватория выглядит как огромная металлическая сфера, а внутри – как технология, пришедшая с другой планеты.

В мешке содержится жидкий сцинтиллятор, химическая смесь, выделяющая энергию, когда через неё проходит нейтрино. В центре сферы находится, по сути, огромный прозрачный нейлоновый мешок диаметром в 10 м и толщиной в полмиллиметра. Есть ещё один буфер, состоящий из 3000 тонн сверхчистой воды, обеспечивающий дополнительную защиту детектора. Эта нейлоновая сфера подвешена в тысяче тонн очищенной буферной жидкости и окружена 2200 датчиками, способными обнаружить энергию, испускаемую электронами, которая освобождается при взаимодействии нейтрино с жидким сцинтиллятором. Всё это вместе обеспечивает наибольшую защиту обсерватории от окружающего излучения среди всех жидких сцинтилляторов в мире.

Учитывая то, как сложно обнаружить эти сверхлёгкие частицы, не имеющие заряда, которые почти не взаимодействуют с материей, обнаружить низкоэнергетические солнечные нейтрино без такой чувствительной машины было бы практически невозможно. В последнее десятилетие физики в Борексино – включая Д’Анджело, присоединившегося к проекту в 2011-м – используют это уникальное устройство для наблюдения за низкоэнергетическими солнечными нейтрино, порождёнными столкновениями протонов во время ядерного синтеза в ядре Солнца. А это составляло всего лишь порядка 0,01% от испущенных Солнцем нейтрино. Когда SNO напрямую обнаружил первые осцилляции солнечных нейтрино, он мог наблюдать только за самыми энергичными солнечными нейтрино из-за помех от фонового излучения. Чувствительность Борексино позволяет ему наблюдать солнечные нейтрино с энергией, на целый порядок меньшей, чем те, что обнаружил SNO, что открывает возможности создания невероятно уточнённой модели солнечных процессов и более экзотических явлений, вроде сверхновых.

– Что-то типа того, чем сейчас является тёмная материя». «У физиков ушло 40 лет на то, чтобы понять солнечные нейтрино, и это была одна из самых интересных загадок физики частиц, — сказал мне Д’Анджело.

Проливая свет на тёмную материю

Если нейтрино были загадочной частицей 20-го века, тогда тёмная материя – головоломка нашего времени. Точно так же, как Паули предложил нейтрино в качестве отчаянного средства, чтобы объяснить, почему эксперименты вроде бы нарушают один из фундаментальнейших законов природы, о существовании частиц тёмной материи предположили, поскольку не сходятся космологические наблюдения.

Используя опубликованные Эдвином Хабблом данные, Цвики подсчитал массу всего галактического скопления Волос Вероники. В начале 1930-х американский астроном Фриц Цвикки изучал движения нескольких галактик в скоплении Волос Вероники – наборе из более чем 1000 галактик, расположенном примерно в 320 млн световых лет от Земли. Закончив, он обнаружил нечто странное в дисперсии скоростей галактик (статистическом распределении скоростей группы объектов): распределение скоростей в 12 раз превышало рассчитанное на основании количества материи значение.


В лаборатории Гран-Сассо

«Если это подтвердится, — писал он, — мы получим удивительный результат, согласно которому тёмной материи окажется гораздо больше, чем светящейся». Это был неожиданный расчёт и его важность не ускользнула от Цвикки.

Однако главное отличие состоит в том, что у сегодняшних астрономов есть гораздо больше эмпирических доказательств, указывающих на её существование. Идея о том, что Вселенная в основном состоит из невидимой материи, во времена Цвикки казалась радикальной – такой она остаётся и сегодня. На основании измерений Рубин и последующих наблюдений, физики считают, что тёмная материя составляет порядка 27% всего вещества Вселенной – примерно в семь раз больше, чем обычная, знакомая нам барионная материя. По большей части это можно отнести на счёт Веры Рубин, американского астронома, чьи измерения вращения галактик в 1960-х и 70-х устранили все сомнения в существовании тёмной материи. Главный вопрос – из чего же она состоит?

Частью потому, что физики не совсем уверены, что именно они ищут. С момента новаторских наблюдений Рубин было предложено уже много кандидатов на звание частиц тёмной материи, но пока что все они избегают обнаружения даже самыми чувствительными из приборов в мире. Это делает разработку экспериментов похожей на поиски на парковке у стадиона машины, к которой подходят недавно найденные ключи. Небольшая часть физиков вообще считает, что тёмная материя может быть не частицами, а представлять собой экзотический гравитационный эффект. Есть шансы на то, что машина стоит на парковке, но вам придётся обойти очень много дверей, пока вы её найдёте – если она вообще там есть.

Д’Анджело с коллегами из Гран-Сассо поставили на WIMP, которые до недавнего времени считались лидирующими кандидатами на тёмную энергию. Среди кандидатов на тёмную материю есть субатомные частицы с дурацкими названиями типа аксионов, гравитино, массивных астрофизических компактных гало (MACHO) и слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP).

WIMP – это класс гипотетических элементарных частиц, практически не взаимодействующих с обычной барионной материей, и не испускающих света, из-за чего их чрезвычайно трудно обнаружить. Однако за последние несколько лет физики начали поиски иных возможностей, после того, как некоторые критичные тесты не смогли подтвердить существование WIMP. Излишне говорить, что очень сложно найти что-либо, если вы даже не уверены, что именно вы ищете. Эту проблему усугубляет тот факт, что никто не уверен, как именно выглядят WIMP.

В 1970-х физики задумали Стандартную Модель физики частиц, утверждавшую, что во Вселенной всё состоит из небольшого набора фундаментальных частиц. Так почему же физики думают, что WIMP вообще существуют? В 1980-х появилось расширение СМ под названием суперсимметрия, согласно которому у каждой фундаментальной частицы СМ должен быть партнёр. Стандартная Модель прекрасно объясняет почти всё, что Вселенная может ей дать, но она всё ещё неполна, поскольку туда не входит гравитация. Некоторые из наиболее сложных и дорогих экспериментов мира, например, Большой адронный коллайдер, были созданы в попытке открыть этих суперсимметричных партнёров, но пока что их существованию не было получено никаких экспериментальных подтверждений. Эти пары известны как суперсимметричные частицы, и используются в теоретических объяснениях различных загадок физики СМ, например, массы бозона Хиггса и существования тёмной материи.

Многие физики до сих пор считают последнюю из них ведущим кандидатом на тёмную материю, и думают, что в ранней Вселенной она образовалась в больших количествах. Многие из самых лёгких частиц, предложенных в суперсимметричной модели, это WIMP, и они имеют такие названия, как гравитино, снейтрино и нейтралино. Обнаружение свидетельств наличия этой древней теоретической частицы – цель множества экспериментов с ТМ, включая и тот, над которым Д’Анджело работает в Гран-Сассо.

DarkSide, по сути, это огромный резервуар, наполненный жидким аргоном, и оборудованный невероятно чувствительными датчиками. Д’Анджело рассказал мне, что заинтересовался тёмной материей спустя несколько лет после того, как присоединился к лаборатории Гран-Сассо и начал вносить свой вклад в эксперимент DarkSide, казавшийся естественным продолжением его работы над солнечными нейтрино. Если WIMP существуют, физики считают, что сумеют обнаружить их благодаря ионизации, появляющейся из-за их взаимодействия с ядрами аргона.

Однако сейчас он оказался вовлечённым в другой эксперимент с ТМ в Гран-Сассо под названием SABRE, который также ищет прямые свидетельства наличия частиц ТМ на основе света, появляющегося при выходе энергии в результате их столкновений с кристаллами йодистого натрия. DarkSide идёт в Гран-Сассо с 2013 года, и Д’Анджело сказал, что он будет продолжаться ещё несколько лет.

В 2003 году эксперимент DAMA начал поиски сезонных флуктуаций частиц тёмной материи, предсказанных в 1980-х как последствие движения Земли и Солнца относительно остальной части галактики. Устройство эксперимента SABRE специально сделано похожим на другой эксперимент, шедший в Гран-Сассо с 1995 года, под названием DAMA. Теория говорила, что относительная скорость любых частиц тёмной материи, обнаруженных на Земле, должна достигать максимума в июне и минимума в декабре.


Давид Д’Анджело

Всё выглядело так, будто DAMA стал первым экспериментом в мире, обнаружившим частицу тёмной материи. В течение почти 15 лет DAMA действительно регистрировал сезонные флуктуации в детекторах, совпадавших с теорией и с ожидаемой сигнатурой частиц ТМ. Но проблема была в том, что DAMA не смог полностью исключить возможность того, что найденная им сигнатура не относилась к какой-либо другой сезонной флуктуации Земли, а не к изменениям потока тёмной материи, связанным с движением Земли вокруг Солнца.

После того, как в оборудовании будут устранены все недочёты, эксперимент в Гран-Сассо станет половиной SABRE. SABRE должен устранить двусмысленности в данных DAMA. Наличие лабораторий в северном и южном полушарии должно помочь устранить все ложные положительные срабатывания, связанные с нормальными сезонными флуктуациями. Другая половина будет располагаться в Австралии, в бывшей золотой шахте. Пока что детектор SABRE всё ещё находится в состоянии рабочего прототипа, и должен начать наблюдения в обоих полушариях в следующие несколько лет.

Но, как указал Д’Анджело, такого рода разочарования – фундаментальная часть науки. Эксперимент SABRE может и опровергнуть наилучшее из имеющихся свидетельств наличия частиц ТМ, обнаруженных физиками.

– Иногда ты проводишь несколько лет в поисках чего-либо, а потом его там не оказывается, и тебе приходится менять способ мышления по поводу всего». «Я, конечно, беспокоюсь, что мы не найдём никакой ТМ, и что мы охотимся за привидениями, но наука так устроена, — сказал Д’Анджело.

«Тончайшие элементы Вселенной связаны с наиболее макроскопическими явлениями, например, с расширением Вселенной, — сказал Д’Анджело. Для Д’Анджело зондирование субатомного мира через исследования нейтрино и тёмной материи в итальянской пещере является его способом явной связи со Вселенной. Цель физики, которой занимаюсь я – выйти за границы человеческого знания». – Бесконечно малое соприкасается с бесконечно большим, и мне это кажется потрясающим.

Подписывайтесь на обновления по e-mail, через RSS или канал Яндекс.Дзен. Больше статей на научно-популярную тему вы сможете найти на сайте Golovanov.net.

Спасибо всем, кто уже оказал поддержку! По многочисленным просьбам реализована возможность поддержать проект материально.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть