На днях на лентах научно-популярных новостей появилось сообщение о том, что ученые, работающие на детекторе для поиска темной материи XENON100, усомнились в полученных ими результатах. И это не первое упоминание о темной материи, которое начинается такими словами. Что это за странная субстанция, которая постоянно водит ученых за нос?
Недостача
Впервые предположения о том, что во Вселенной существует некая очень массивная, но ненаблюдаемая субстанция, высказал в 1930-е годы швейцарский астроном Фриц Цвикки. Он изучал созвездие Волосы Вероники и заметил, что находящиеся там скопления галактик не должны были бы удерживаться вместе - гравитационного притяжения видимых Цвикки объектов никак не хватило бы, чтобы не дать галактикам разбежаться.
Позже к тем же выводам, что и Цвикки, пришли другие исследователи, изучавшие температуру рассеянного по Вселенной газа, а также феномен так называемого гравитационного линзирования (предсказанного Эйнштейном изменения видимого изображения объекта из-за искривления лучей света, вызванного гравитацией попадающихся на их пути массивных тел) и скорости вращения галактических скоплений.
Работы по последней из названных тем, весьма наглядно выявившие вселенскую "анорексию", были выполнены в 1970-е годы работавшей в институте Карнеги исследовательницей Верой Рубин. Она показала, что на любом удалении от центра звездного скопления находящийся в нем водород движется с неизменной скоростью. Это наблюдение напрямую противоречит законам Кеплера, которые определяют "правила" движения небесных тел и постулируют, что чем дальше от центра масс находится объект, тем медленнее он движется по своей орбите. Постоянство скоростей перемещения водорода можно было бы объяснить, предположив, что помимо видимого вещества галактики набиты неким недоступным для "глаз" приборов тяжелым веществом (впрочем, неизвестно, стоит ли в случае темной материи подразумевать вещество в привычном понимании этого слова).
На сегодняшний день астрофизики собрали массу свидетельств в пользу того, что видимой Вселенной сильно недостает массы. Из анализа полученных данных ученые заключили, что доля "обычной" материи в окружающем космическом пространстве не превышает 4,5 процента. На темную материю приходится около 23 процентов массы, а за остальные 72 процента "отвечает" темная энергия - еще более загадочная сила, благодаря которой (вероятно) Вселенная расширяется с ускорением, а не с замедлением.
Поиски
Ученые активно разрабатывают гипотезу о существовании темной материи и уже смогли вывести многие характеристики этой субстанции. Кроме того, исследователи занимаются непосредственно поисками загадочной скрытой массы (это второе принятое название темной материи). Кое-что специалистам уже удалось обнаружить - выяснилось, что около 4-5 процентов темной материи составляет вполне привычное ученым вещество, только сосредоточенное не в ярко сияющих звездах, а в тусклых планетах-гигантах или коричневых карликах (объектах, масса которых намного больше массы больших планет, но "не дотягивает" до массы маленьких звезд). Эта фракция темной материи получила наименование барионной темной материи - от слова "барион", которым обозначают семейство элементарных частиц, включающее, в частности, привычные протон и нейтрон.
Барионная темная материя, а точнее планеты и "недозвезды", сосредоточена на периферии галактик (отсюда и второе название этих объектов - массивные компактные гало-объекты). Недавно астрофизики заключили, что барионная темная материя может существовать и в другом виде - а именно в виде скоплений разогретого газа, который невидим в оптическом диапазоне, но светится в рентгеновских лучах.
Вторую - и основную - часть темной материи, названную небарионной, ученым пока обнаружить не удалось. Специалисты ищут ее, используя две основные стратегии - прямую и непрямую. Прямой метод нацелен на непосредственное обнаружение частиц темной материи - вимпов (от английского сокращения WIMP, Weakly Interactive Massive Particle - слабо взаимодействующая массивная частица). Вимпы практически не взаимодействуют с "обычным" веществом, однако ученые полагают, что изредка такие события все же должны происходить. Определить, что встреча двух частиц состоялась, можно по характерной вспышке излучения, которую регистрируют приборы.
Для того чтобы вычленить чрезвычайно редкие случаи столкновения вимпа с каким-нибудь земным атомом, физики строят специальные детекторы, расположенные глубоко под землей. Закапывать дорогостоящие установки, причем зачастую весьма значительного размера, необходимо для того, чтобы внутренностей детектора не достигали многочисленные высокоэнергетические частицы, которые пронизывают космическое пространство и могут приводить к появлению ложных сигналов.
Сами детекторы делятся на два типа: либо это емкости, заполненные сжиженными благородными газами, например, ксеноном или аргоном, либо же сердцевину детектора составляет кристаллическое соединение из экзотических элементов вроде германия или более привычного кремния. И жидкостные, и кристаллические детекторы охлаждаются практически до температуры абсолютного ноля (минус 273,15 градуса Цельсия) - экстремально низкие температуры необходимы по той причине, что выделение теплового излучения при гипотетической встрече вимпа с атомом детектора должно быть крайне незначительным и засечь его можно только в очень холодном месте. Впрочем, иногда поиски ведутся всего лишь при температурах, близких к температуре кипения жидкого азота (минус 195,75 градуса Цельсия).
Ученые, выбравшие непрямой метод поиска частиц темной материи, пытаются зарегистрировать не сами вимпы, а вторичное излучение, порождаемое при аннигиляции двух слабо взаимодействующих частиц. Одна из физических гипотез - а именно гипотеза, выдвинутая итальянским физиком Этторе Майорана, предполагает, что некоторые частицы одновременно являются собственными античастицами, то есть сохраняют ту же массу и спин, но меняют знак. При взаимодействии частицы и античастицы происходит их взаимное уничтожение (физики говорят аннигиляция). Подробнее о свойствах антиматерии можно прочитать тут.
Если предположить, что вимпы относятся к майорановским фермионам, то при столкновении двух таких частиц они должны аннигилировать, и этот процесс будет сопровождаться выделением гамма-излучения, а также рождением пар других частиц и античастиц. Если такая цепочка событий действительно имеет место, то в космическом излучении должно регистрироваться больше антипротонов и позитронов, а также гамма-излучения, чем предсказывают теории, не учитывающие существование темной материи. Лишние частицы и излучение ищут детекторы, установленные на спутниках.
Неудачи
На сегодня ни прямой, ни косвенный методы обнаружения вимпов не дали достоверных результатов. Например, детектор PAMELA, (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics - аппарат для исследования антиматерии и астрофизики легких ядер), установленный на российском спутнике "Ресурс-ДК1", сумел обнаружить небольшой избыток позитронов, но не смог доказать, что в космосе больше антипротонов, чем предполагается в рамках гипотез, не учитывающих существование темной материи. Более того, ученые не исключают, что "лишние" позитроны могут быть следствием "работы" пульсаров.
Ученые, курирующие миссию телескопа EGRET, который ищет следы существования вимпов, анализируя фон космического гамма-излучения, сообщали о регистрации избытка гамма-лучей, однако позже на порядок более чувствительный телескоп LAT на борту орбитальной обсерватории "Ферми" не подтвердил эти результаты. Также приборы обсерватории не смогли подтвердить наличие "темноматериальных" высокоэнергетических электронов в космическом излучении – ранее данные об их существовании были получены аппаратом ATIC, работавшим в Антарктике.
Вимпы внутри детектора CDMS II "ловят" именно эти шестиугольники. Фото с сайта slac.stanford.edu
Lenta.ru
Не лучше обстоят дела и у специалистов, занимающихся поимкой вимпов прямым методом. В 2010 году группа, работающая на детекторе CDMS II (Cryogenic Dark Matter Search - обсерватория криогенного поиска темной материи) опубликовала в одном из самых престижных научных журналов Science статью, в которой заявила о возможной регистрации трех событий, соответствующих столкновению вимпов с атомами детектора (CDMS II – это кристаллический детектор из германия и кремния). Однако позже авторы пришли к выводу, что все три события нельзя достоверно отличить от фоновых сигналов.
Упомянутые в начале этой статьи физики, работающие на детекторе XENON100, тоже неожиданно засомневались в собственных результатах. Этот детектор, установленный в Национальной лаборатории Гран-Сассо рядом с итальянским городом Л'Акуила, представляет собой подземный сосуд, заполненный 161 килограммом жидкого ксенона. За последнее время ученые собрали на XENON100 некоторое количество данных, которые могли бы указать на наличие вимпов. Но более внимательная проверка детектора показала, что зарегистрированные вспышки могут возникать из-за радиоактивного распада других элементов, в следовых количествах присутствующих в толще ксенона.
Один из типичных загрязнителей - это радиоактивный изотоп криптон-85. Содержание этого изотопа в коммерчески поставляемом ксеноне составляет около нескольких частей на миллион частей, но в ходе процедур очистки физики уменьшили концентрацию загрязнителя до сотен частей на триллион частей. Однако позже выяснилось, что содержание криптона-85 в ксеноне внутри детектора XENON100 выше расчетного. Более того, на данный момент специалисты не могут определить точную концентрацию радиоактивных примесей. Такая неопределенность не позволяет вычислить уровень фона, а значит, получаемые результаты нельзя признать достоверными.
Более того, в научной периодике время от времени появляются работы, авторы которых доказывают, что темная материя вообще не нужна для объяснения тех или иных отклонений в природе космических объектов – например, того же самого избытка высокоэнергетических электронов в космосе или "странного" распределения гамма-излучения.
Ложка меда
Впрочем, ситуация с поимкой темной материи далеко не так плачевна, как может показаться. Вот как прокомментировал постоянные неудачи ученых доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией Астрокосмического центра физического института имени Лебедева Андрей Дорошкевич: "В настоящее время природа и свойства частиц темной материи неизвестны. Все проводящиеся сейчас эксперименты основаны на тех или иных предположениях о свойствах этих частиц. Отрицательный результат какого-либо эксперимента указывает, что сделанные предположения о свойствах частиц не подтвердились и надо расширить область поиска, но не отменяет темного вещества".
Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом теоретической астрофизики Астрокосмического Центра ФИАН Владимир Лукаш солидарен с коллегой: "Темная материя - это один из базовых элементов стандартной космологической модели. Ситуация, когда был рынок моделей, и каждый мог предлагать какое-то свое объяснение устройству Вселенной, уже лет десять как не существует. На сегодня признана только одна модель, у которой и близко нет конкурентов, и эта модель подразумевает существование темной материи".
Что касается работ, в которых обнаруженные в космосе "странности" удавалось объяснить без привлечения темной материи, то о них Дорошкевич сказал следующее: "Авторы говорят, что для объяснения тех или иных наблюдений темное вещество не требуется. Очень хорошо, значит каких-то свойств у этого вещества нет. Но это не значит, что темного вещества вообще нет. Просто эти исследователи объясняют свои конкретные наблюдения, и их выводы не следует распространять на всю Вселенную".
Лукаш также уверен за будущее темной материи: "Ситуацию с поисками вимпов в прямых экспериментах можно сравнить с поиском нейтрино. И у тех и у других очень маленькое сечение процесса - то есть участок в окрестности атома-мишени, через который частица должна пролететь, чтобы произошло столкновение. Нейтрино в свое время искали довольно долго - нужно было накопить множество экспериментальных данных. С вимпами ситуация абсолютно такая же".
Так что тем, кто верит в существование таинственной и непонятной темной материи, не стоит терять надежду из-за того, что сообщения о ее поисках часто содержат словосочетания "не удалось найти" или "не смогли обнаружить". Во-первых, ученые постепенно совершенствуют инструменты поиска - например, весной 2011 года должен заработать японский ксеноновый детектор XMASS с чрезвычайно высокой степенью очистки ксенона. Кстати, один из приборов, при помощи которого исследователи рассчитывают обнаружить вимпы в ближайшие несколько лет, - это знаменитый Большой адронный коллайдер. "Основной задачей БАК является поиск бозона Хиггса, но в качестве "побочных продуктов" он ищет события с частицами темной материи. События эти редкие, и, кроме того, на БАК ищут вимпы со свойствами, предсказанными в рамках одной из гипотез, описывающих свойства темной материи. А всего таких гипотез сегодня существует около десятка", - уточняет Лукаш.
Во-вторых, не исключено, что по мере изучения темной материи специалисты постулируют у нее новые свойства (так, сегодня многие физики полагают, что частицы темной материи могут распадаться на несколько групп с различными характеристиками) и смогут придумать новые - более эффективные - методы для ее поиска.