На глубине одной мили под горой в Италии ученые Национальной лаборатории Гран-Сассо заполняют детектор частиц жидким ксеноном, надеясь обнаружить доказательства существования темной материи . Идея заключается в том, что, освободившись от космических лучей, которые мешают подобным экспериментам на поверхности, лаборатория в конечном итоге обнаружит невидимые частицы , которые не взаимодействуют со светом, картируя, как эти частицы сталкиваются с ксеноном в ходе эксперимента — почти как группа бильярдных шаров, которые разлетаются во все стороны при ударе кием.
Ожидается, что около миллиарда частиц определенной группы, называемых слабо взаимодействующими массивными частицами (WIMPS, для краткости), будут проходить через этот детектор в секунду. Но до сих пор ни одна из них не сталкивалась с темной материей, сказала доктор Эбигейл Копек, доцент кафедры физики и астрономии в Университете Бакнелла в Пенсильвании, которая работает с данными коллайдера. Однако в настоящее время проводится много экспериментов по поиску темной материи, каждый из которых специально направлен на ее обнаружение на основе того, что мы знаем о том, как она ведет себя во Вселенной.
Доктор Трейси Слейер, физик-теоретик из Массачусетского технологического института, считает, что если темная материя будет обнаружена в ходе одного из этих экспериментов или другого, который еще не придуман, это может пролить свет на целую скрытую вселенную, которая пока остается загадкой.
«Мы могли бы раскрыть всю эту невидимую структуру Вселенной, составить ее карту, не только по ее гравитации, но и теперь, увидев ее непосредственно в правильном свете», — сказал Слейер Salon в видеозвонке. «Причина понимания того, что такое темная материя, заключается в понимании Вселенной».
Первые доказательства существования темной материи относятся к 1930-м годам, но в 1960-х годах стало еще яснее, что некая невидимая масса воздействует на гравитационные силы Вселенной. Именно тогда астрономы заметили, что галактики движутся слишком быстро, учитывая количество света, которое они наблюдали исходящим из них. Другими словами, какая-то другая форма материи, помимо той, которую мы могли наблюдать, влияла на их гравитационное притяжение. На протяжении десятилетий многочисленные наблюдения за тем, как двигались пыль, газ и рябь в космическом микроволновом фоне или остаточное излучение первичной плазмы Вселенной, указывали на то, что темная материя существует.
«Все это свелось к выводу, что гравитационно что-то притягивает светящуюся материю, которую мы видим, и которая не взаимодействует со светом», — сказал Копек Salon в видеозвонке. «Темная материя составляет около 25% Вселенной… Сейчас это огромный пробел в нашем понимании Вселенной».
Хотя астрофизики смогли очень точно подсчитать, что Вселенная на 26,8% состоит из темной материи, ее истинные характеристики остаются неуловимыми. Это трудно разгадать, потому что, как уже упоминалось, темная материя не взаимодействует со светом и, похоже, не распадается со временем — но у нее есть гравитация. Она явно присутствует в нашей галактике, но обнаруживается в более высоких концентрациях в некоторых других галактиках, называемых карликовыми стероидными галактиками . И когда два скопления галактик сталкиваются друг с другом, облака темной материи в них проходят друг сквозь друга , не замедляясь.
Эти подсказки служат основой для разработки экспериментов. В настоящее время два самых популярных проекта включают эксперименты, подобные эксперименту Копека в Италии, которые пытаются определить, состоит ли темная материя из WIMP, и эксперименты, исследующие, является ли темная материя аксионом, гипотетической элементарной частицей, предложенной в теории квантовой хромодинамики (КХД).
Идея WIMP связана с другой идеей, которая могла бы объяснить темную материю, называемой суперсимметрией . По сути, это идея о том, что во Вселенной есть базовая симметрия, и для каждой известной нам частицы есть частица-партнер (еще не найденная), которая могла бы составлять темную материю, сказал Слейер. Названия этих спекулятивных частиц часто добавляют букву S к названиям известных частиц: селектроны противопоставляются электронам, скварк — это перевернутый близнец кварка и так далее.
Однако за более чем 10 лет наблюдений не было получено никаких доказательств в поддержку этой идеи, даже с использованием Большого адронного коллайдера, на что некоторые надеялись.
«Этот класс идей стал менее популярным, потому что, когда мы включили Большой адронный коллайдер, мы не увидели доказательств суперсимметрии», — сказал Слейер Salon в видеозвонке. «Это все еще жизнеспособная возможность, но одно из событий, произошедших после того, как LHC не нашел этого, заключается в том, что это побудило людей осознать, что это никогда не было единственной возможностью».
Идея, лежащая в основе теории КХД, заключается в том, что темная материя может быть в тысячи и тысячи раз легче любой из известных нам частиц и вести себя скорее как волна. Это привлекательная гипотеза, поскольку она также решила бы то, что называется сильной проблемой CP в стандартной модели космологии, сказал доктор Сиаран О’Хара, астрофизик частиц из Сиднейского университета, изучающий темную материю. По сути, это напряжение в модели, когда что-то не складывается при изучении ядерной силы, которая связывает протоны, нейтроны и другие частицы.
«Если бы темная материя была аксионом КХД, она была бы для нас по сути невидимой», — сказал О’Хара Salon в видеозвонке. «Мы бы текли сквозь нее, но большую часть времени не замечали бы этого, и нам пришлось бы проводить очень специфические эксперименты, чтобы это увидеть».
Копец отметил, что, хотя технологии значительно продвинулись с тех пор, как в 1980-х годах появились первые аксионные детекторы, проблема большинства из них заключается в том, что они проверяют каждую возможную массу темной материи по одной за раз.
Ученые смогли обнаружить форму «горячей темной материи», когда они обнаружили нейтрино, загадочные частицы, которые настолько малы, что имеют близкую к нулю массу. Неудивительно, что это делает обнаружение этой частицы чрезвычайно сложным для изучения. В эксперименте по столкновению частиц в детекторе размером 5 на 5 футов команде Копека потребовалось два с половиной года, чтобы идентифицировать всего 11 столкновений нейтрино . Тем не менее, другие проверяют, существует ли остальная темная материя в виде «стерильных» нейтрино, то есть частиц, которые не взаимодействуют с другими видимыми частицами. Хотя это все еще правдоподобная гипотеза, эти частицы, вероятно, не составляют большую часть темной материи во Вселенной.
Другая ведущая теория заключается в том, что темная материя может скрываться в первичных черных дырах , которые были созданы на ранних этапах развития Вселенной. Проблема с поиском доказательств в поддержку этой идеи заключается в том, что ученые определили, что для того, чтобы это было правдой, это должны быть черные дыры размером примерно с астероид, на которые трудно наткнуться, учитывая масштаб Вселенной, сказал О’Хара.
«Наблюдать черные дыры с массой астероида просто невероятно сложно», — сказал О’Хара. «У нас есть идеи, но потребуется некоторое время, чтобы действительно развить эти идеи и воплотить их в жизнь. Я бы сказал, что, возможно, в ближайшие пять лет, если нам действительно повезет, мы закроем этот пробел и либо увидим это явление, либо полностью исключим его для черных дыр».
В этой области уже десятилетиями ведутся поиски темной материи, но каждый неудачный эксперимент, как мы надеемся, приближает нас к ее обнаружению. Или она может появиться в одном из текущих экспериментов завтра. Ученые сохраняют оптимизм в отношении того, что мы можем обнаружить доказательства существования темной материи в следующем десятилетии. Другая возможность заключается в том, что мы можем никогда ее не найти, и что для этого потребуется некоторая физика, которую мы пока не понимаем или не можем наблюдать, сказал Слейер.
«Возможно, эта идея, что мы собираемся проверить это экспериментально, — просто ложная надежда», — сказал Слейер. «Но в то же время, учитывая то, что мы знаем, темная материя может быть новой частицей, которая легче любой из известных нам частиц, чем-то, что постоянно производится вокруг нас, частицами, которые постоянно летают по комнате — и вам просто нужно установить чувствительный детектор, и вы их обнаружите».
Прочитайте что такое взгляд в будущее