[Перевод] Методы кардинального расширения поисков тёмной материи
Физики планируют не пропустить ни одной возможности: не воздействует ли тёмная материя на разные виды детекторов, не изгибает ли свет звёзд, не разогревает ли ядра планет и не откладывается ли в камнях.
Диаграмма вариантов массы частиц тёмной материи (кликабельно)
С тех пор, как в 1980-х согласились с тем, что большая часть массы Вселенной невидима для нас, и что эта «тёмная материя» должна удерживать галактики от разрушения и формировать посредством гравитации облик всего космоса, экспериментаторы охотились за этими несветящимися частицами.
Сначала они начали поиски тяжёлой и медленной формы тёмной материи под названием слабовзаимодействующие массивные частицы (weakly interacting massive particle, WIMP) — вимпы. Этот ранний кандидат был одним из самых предпочтительных вариантов, подходящих на роль потерянной космической материи — он мог решить ещё одну, отдельную загадку из физики частиц. Десятилетиями физики строили всё более крупные мишени в виде кристаллов и многотонных резервуаров с экзотическими жидкостями, надеясь уловить редкое мельтешение в атомах, происходящее после столкновения с вимпами.
Но детекторы оставались безмолвными, и физики всё чаще начинают размышлять о более широком диапазоне возможностей. С более массивной стороны спектра, по их словам, невидимая материя Вселенной может комковаться, образуя чёрные дыры весом со звёзды. Другая крайность состоит в том, что тёмная материя может распространяться в виде тонкой дымки из частиц, легче электрона в тысячи триллионов триллионов раз.
Новые гипотезы приносят с собой и новые методы обнаружения. Кэтрин Цюрек, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института, говорит, что если в текущих экспериментах с вимпами мы ничего не увидим, «то значительная часть исследований в этой области сместится к этим новым экспериментам».
И работы уже начаты. Вот несколько из множества новых рубежей поиска тёмной материи.
Между электроном и протоном
У вимпов хватило бы массы, чтобы наподобие шара для боулинга сбивать с места целые атомы. Но на тот случай, если тёмная материя легче, в некоторых экспериментах готовят более лёгкие «кегли».
Несильный дождик из частиц тёмной материи, весящих меньше протона, мог бы иногда выбивать электроны из содержащих их атомов. Первый эксперимент, разработанный специально для улавливания подобной тёмной материи — это Sub-Electron-Noise Skipper CCD Experimental Instrument (SENSEI), использующий технологию, похожую на ту, что работает в цифровых камерах. Она усиливает сигналы от неожиданно ускоренных электронов, появляющихся внутри вещества.
Когда прототип SENSEI включили, разместив в нём одну десятую грамма кремния, тёмной материи он не нашёл. И всё равно полученные результаты, опубликованные командой в 2018 году, сразу же исключили определённые модели.
«Как только мы его включили, мы сразу получили лучшие в мире ограничения, — сказала Тьен-Тьен Ю, физик из Орегонского университета, член команды SENSEI. — Потому что раньше ограничений вообще не было».
Недавние результаты двухграммовой версии эксперимента SENSEI расширили эти ограничения, и теперь Ю с коллегами готовятся к реализации десятиграммовой версии в подземной лаборатории Канады, вдали от вмешивающихся в ход событий космических лучей. Другие группы разрабатывают альтернативные недорогие версии экспериментов, нацеленные на подобные легко достижимые результаты.
В сторону облегчения
Если тёмная материя окажется ещё легче, или не будет восприимчивой к электрическим зарядам, она не будет выбивать электроны. Цюрек провела мозговой штурм методов, которые позволили бы даже такой мелкотне выдать своё присутствие, повлияв на группы частиц.
Представьте себе блок кремния в виде матраса, пружины которого — это атомные ядра. Если бросить в такой матрас мелкую монетку, говорит Цюрек, то ни одна из пружин особо не сдвинется с места. Однако монетка вызовет волну, которая затем пройдёт через множество пружин. В 2017 году она предположила, что аналогичное возмущение, вызываемое тёмной материей, может порождать звуковые волны, немного разогревающие систему.
Один из проектов, идущих по этому пути, Tesseract, работает сейчас в подвале Калифорнийского университета в Беркли. Он ищет волны, порождённые частицами тёмной материи, сходными по весу с теми, что ищет SENSEI. Однако будущие варианты эксперимента теоретически позволят искать частицы и в тысячу раз более лёгкие.
Однако есть и более лилипутские возможности. Тёмная материя может состоять из аксионов –частиц настолько лёгких, что они больше похожи на волны, чем на частицы. Это заодно решило бы загадку сильного ядерного взаимодействия. Недавно Axion Dark Matter Experiment (ADMX) начал искать аксионы, распадающиеся на пары фотонов в мощнейшем магнитном поле. Начинают работу и несколько других схожих экспериментов.
Некоторые эксперименты нацелены и на ещё более лёгкие частицы. Самая малая масса, которой теоретически может обладать частица тёмной материи — это в тысячу триллионов триллионов раз меньше, чем масса электрона. Это была бы частица с волной чрезвычайно малой энергии, и с длиной волны, сравнимой с диаметром небольшой галактики. Ещё менее весомые частицы были бы слишком размазаны в пространстве и не могли бы объяснить, почему галактики не разваливаются.
Подсказки свыше
Пока одни экспериментаторы готовят следующее поколение аппаратов, намереваясь установить прямой контакт с тёмной материей, другие планируют прочёсывать небеса в поисках непрямых её признаков.
Считается, что галактики и звёзды создают огромные облака тёмной материи, которые гравитационно притягивают видимую материю. Однако если существуют мелкие скопления тёмной материи, им такого сделать бы не удалось. Эти скромные комочки были бы абсолютно тёмными, но всё равно изгибали бы проходящий мимо звёздный свет. Одна группа исследователей ищет признаки подобного «линзирования» звёздного света комочками тёмной материи в данных работающего сейчас космического телескопа Гайя.
«Сквозь нашу галактику движутся тёмные структуры, — сказала Анна-Мария Таки, физик из Орегонского университета, один из членов этой группы. — При движении они искажают местоположение, движение и траектории источников света».
Предварительные результаты, опубликованные в сентябре, не показали наличия подобных структур, масса которых была бы больше, чем у 100 млн солнц. Исследователи надеются получить более крупные базы данных, где можно будет найти менее крупные облака. А на основе размеров и форм этих гипотетических структур учёные уже смогут понять, каким образом частицы тёмной материи взаимодействуют друг с другом.
Другие исследователи придумали способ приспособить к поискам быстрорастущий каталог экзопланет. «Этих штуковин там просто миллиарды», — сказала Ребекка Лин, специалист по физике частиц из национальной ускорительной лаборатории SLAC, соавтор сентябрьского предложения.
Идея состоит в том, что планета, пролетающая сквозь Млечный путь, может накапливать тёмную материю в ядре. Частицы этой тёмной материи, аннигилируя со своими античастицами, разогревают планету. Экзопланеты, расположенные ближе к центру галактики, проходят через более плотные скопления тёмной материи, поэтому должны ярче светиться в инфракрасном диапазоне. Лин с коллегами подсчитали, что если будущий космический телескоп Джеймса Уэбба сможет измерить температуру нескольких тысяч экзопланет, то в таком наборе данных можно будет рассмотреть признаки аннигиляции частиц тёмной материи, масса которых находится в диапазоне между электроном и протоном.
Тёмная материя везде
Возможно, вимпы и в упадке, но от них ещё не полностью отказались. В следующем марте в национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии запустится эксперимент с 4-тонным резервуаром с ксеноном. Южно-Корейская команда Cosine-100 хочет проверить спорное заявление, сделанное участниками другого эксперимента в Гран-Сассо, DAMA. В последнем массив из кристаллов йодида натрия зафиксировал именно такие сезонные изменения в данных, которые должны происходит, когда Земля подставляет разные бока «ветру» из тёмной материи, сквозь которую проходит. «У них есть ежегодная модуляция, вне всяких сомнений. Но откуда она берётся?» — сказала Кэтрин Фрис, астрофизик из Техасского университета в Остине. «Понять этого мы не можем».
Подсчёты Фрис помогли начаться эпохе экспериментов с вимпами. Теперь у неё есть новые идеи для поисках этих частиц. В 2018 году она предположила, что вимпы могут содержаться в камнях, лежащих на глубине в несколько километров, и недавно она присоединилась к предложению по их выкапыванию.
Многие физики ожидают, что тёмная материя как апатична, так и повсеместна. Если они смогут придумать достаточно способов почувствовать невидимое, то её незримое влияние может проявить себя где угодно. Среди этих способов — улавливание детекторами разных видов, искажение звёздного света, разогрев ядер планет, и даже накопление в камнях.
«Всё, что угодно, может быть детектором тёмной материи, — сказала Лин. — Нужно только достаточно творчески придумать, как это использовать».
