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

Примерно в часе езды от Рима расположилось плотное скопление гор под названием Гран-Сассо-д’Италия ^[1]. Они известны своей природной красотой и притягивают туристов круглый год, предлагая горнолыжные курорты мирового класса и пешеходные маршруты зимой, а также возможность купаться летом. Для 43-летнего итальянского физика Давида Д’Анджело эти горы – всё равно что второй дом. В отличие от большинства посетителей Гран-Сассо, Д’Анджело проводит большую часть времени под горами, а не на них.

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.

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

Что лежит под «великим камнем»?

В 1989 году итальянский Национальный институт ядерной физики открыл Национальную лабораторию в Гран-Сассо ^[2] – 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 ^[3], устраиваются спонтанно, используя старые или работающие шахты, и этот факт ограничивает количество времени, которое можно провести в лаборатории, и типы используемого оборудования.

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. За последние несколько лет Д’Анджело делил свой график между обсерваторией Борексино ^[4] и детектором на основе йодида натрия с активным отсеиванием фона (Sodium Iodide with Active Background Rejection Experiment, SABRE ^[5]), исследующим солнечные нейтрино и тёмную материю, соответственно.

^[6]
Д’Анджело с работающим прототипом SABRE

За последние 100 лет описание солнечных нейтрино и тёмной материи считаются наиболее важными задачами физики частиц. 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. А вот состав тёмной материи всё ещё считается одним из крупнейших вопросов ядерной физики. 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.

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

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. Большую часть четырёх десятилетий солнечные нейтрино находились в центре одной из крупнейших загадок астрофизики. Проблема была в том, что инструменты, измеряющие энергию солнечных нейтрино, давали результаты гораздо меньшие, чем предсказанные Стандартной Моделью ^[7] – наиболее точной теорией фундаментальных частиц в физике.

Учитывая, насколько точной оказалась стандартная модель в других аспектах космологии, физики не хотели вносить в неё изменения, чтобы учесть это несоответствие. 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. 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 ^[8] в 1930-х впервые предположил существование нейтрино ^[9], 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 ^[10]", что по-итальянски означает «маленькие нейтроны».

Четверть века спустя после предположения Паули двое американских физиков отчитались о первых свидетельствах получения нейтрино в ядерном реакторе. В следующем, 1957 году, Бруно Максимович Понтекорво ^[11], физик итальянского происхождения, работавший в СССР, разработал ^[12] теорию нейтринных осцилляций ^[13]. В то время свойства нейтрино были изучены слабо, и Понтекорво предположил, что нейтрино бывают нескольких типов. В таком случае, предполагал он, было возможно, что нейтрино могут менять свои типы.

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

До конца 90-х существовали скудные свидетельства того, что нейтрино могут переходить из одного аромата в другой. В 1998-м группа исследователей, работавших в японской обсерватории Супер-Камиоканде ^[14], наблюдала осцилляции атмосферных нейтрино, возникающих в основном в результате взаимодействий фотонов с атмосферой Земли. Через три года в канадской обсерватории в Садбери ^[15] (SNO) были получены первые прямые свидетельства осцилляций солнечных нейтрино.

Это, мягко говоря, стало большим событием в космологии. Разрешилась загадка пропавших солнечных нейтрино, или того, почему в экспериментах наблюдалось порядка трети нейтрино, летящих от Солнца, по сравнению с предсказаниями Стандартной Модели. Если нейтрино могут осциллировать, меняя аромат, то нейтрино, испущенные ядром Солнца, уже могут быть разных типов к тому времени, когда достигнут Земли. 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.

Когда в 80-х задумывали SNO, его разрабатывали так, чтобы он смог засечь все три типа нейтрино, а не только электронные. И это решение окупилось. В 2015 году директора экспериментов Супер-Камиоканде и SNO разделили Нобелевскую премию ^[16] по физике за решение загадки недостающих солнечных нейтрино.

^[17]
Детектор в Борексино

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

В центре сферы находится, по сути, огромный прозрачный нейлоновый мешок диаметром в 10 м и толщиной в полмиллиметра. В мешке содержится жидкий сцинтиллятор ^[18], химическая смесь, выделяющая энергию, когда через неё проходит нейтрино. 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. Есть ещё один буфер, состоящий из 3000 тонн сверхчистой воды, обеспечивающий дополнительную защиту детектора. Всё это вместе обеспечивает наибольшую защиту обсерватории от окружающего излучения среди всех жидких сцинтилляторов в мире.

В последнее десятилетие физики в Борексино – включая Д’Анджело, присоединившегося к проекту в 2011-м – используют это уникальное устройство для наблюдения ^[19] за низкоэнергетическими солнечными нейтрино, порождёнными столкновениями протонов во время ядерного синтеза в ядре Солнца. Учитывая то, как сложно обнаружить эти сверхлёгкие частицы, не имеющие заряда, которые почти не взаимодействуют с материей, обнаружить низкоэнергетические солнечные нейтрино ^[20] без такой чувствительной машины было бы практически невозможно. Когда SNO напрямую обнаружил первые осцилляции солнечных нейтрино, он мог наблюдать только за самыми энергичными солнечными нейтрино из-за помех от фонового излучения. А это составляло всего лишь порядка 0,01% ^[21] от испущенных Солнцем нейтрино. 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.

«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. – Что-то типа того, чем сейчас является тёмная материя».

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.

В начале 1930-х американский астроном Фриц Цвикки ^[22] изучал движения нескольких галактик в скоплении Волос Вероники – наборе из более чем 1000 галактик, расположенном примерно в 320 млн световых лет от Земли. Используя опубликованные Эдвином Хабблом ^[23] данные, Цвики подсчитал массу всего галактического скопления Волос Вероники. Закончив, он обнаружил нечто странное в дисперсии скоростей ^[24] галактик (статистическом распределении скоростей группы объектов): распределение скоростей в 12 раз превышало рассчитанное на основании количества материи значение.

^[25]
В лаборатории Гран-Сассо

Это был неожиданный расчёт и его важность не ускользнула от Цвикки. «Если это подтвердится, — писал он ^[26], — мы получим удивительный результат, согласно которому тёмной материи окажется гораздо больше, чем светящейся».

Идея о том, что Вселенная в основном состоит из невидимой материи, во времена Цвикки казалась радикальной – такой она остаётся и сегодня. Однако главное отличие состоит в том, что у сегодняшних астрономов есть гораздо больше эмпирических доказательств, указывающих на её существование. По большей части это можно отнести на счёт Веры Рубин ^[27], американского астронома, чьи измерения вращения галактик в 1960-х и 70-х устранили все сомнения в существовании тёмной материи. На основании измерений Рубин и последующих наблюдений, физики считают, что тёмная материя составляет порядка 27% всего вещества ^[28] Вселенной – примерно в семь раз больше, чем обычная, знакомая нам барионная материя. Главный вопрос – из чего же она состоит?

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. Частью потому, что физики не совсем уверены, что именно они ищут. Небольшая часть физиков вообще считает, что тёмная материя может быть не частицами, а представлять собой экзотический гравитационный эффект. Это делает разработку экспериментов похожей на поиски на парковке у стадиона машины, к которой подходят недавно найденные ключи. 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.

Среди кандидатов на тёмную материю есть субатомные частицы с дурацкими названиями типа аксионов ^[29], гравитино ^[30], массивных астрофизических компактных гало ^[31] (MACHO) и слабовзаимодействующих массивных частиц ^[32] (WIMP). Д’Анджело с коллегами из Гран-Сассо поставили на WIMP, которые до недавнего времени считались ^[33] лидирующими кандидатами на тёмную энергию.

Однако за последние несколько лет физики начали поиски иных возможностей, после того, как некоторые критичные тесты не смогли подтвердить существование 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. Эту проблему усугубляет тот факт, что никто не уверен, как именно выглядят WIMP. Излишне говорить, что очень сложно найти что-либо, если вы даже не уверены, что именно вы ищете.

Так почему же физики думают, что WIMP вообще существуют? В 1970-х физики задумали Стандартную Модель физики частиц, утверждавшую, что во Вселенной всё состоит из небольшого набора фундаментальных частиц. Стандартная Модель прекрасно объясняет почти всё, что Вселенная может ей дать, но она всё ещё неполна, поскольку туда не входит гравитация. В 1980-х появилось расширение СМ под названием суперсимметрия ^[34], согласно которому у каждой фундаментальной частицы СМ должен быть партнёр. Эти пары известны как суперсимметричные частицы, и используются в теоретических объяснениях различных загадок физики СМ, например, массы бозона Хиггса ^[35] и существования тёмной материи. 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.

Многие из самых лёгких частиц, предложенных в суперсимметричной модели, это WIMP, и они имеют такие названия, как гравитино, снейтрино и нейтралино. 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. Обнаружение свидетельств наличия этой древней теоретической частицы – цель множества экспериментов с ТМ, включая и тот, над которым Д’Анджело работает в Гран-Сассо.

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 ^[36], казавшийся естественным продолжением его работы над солнечными нейтрино. DarkSide, по сути, это огромный резервуар, наполненный жидким аргоном, и оборудованный невероятно чувствительными датчиками. Если WIMP существуют, физики считают, что сумеют обнаружить их благодаря ионизации, появляющейся из-за их взаимодействия с ядрами аргона.

DarkSide идёт в Гран-Сассо с 2013 года, и Д’Анджело сказал, что он будет продолжаться ещё несколько лет. Однако сейчас он оказался вовлечённым в другой эксперимент с ТМ в Гран-Сассо под названием SABRE ^[37], который также ищет прямые свидетельства наличия частиц ТМ на основе света, появляющегося при выходе энергии в результате их столкновений с кристаллами йодистого натрия.

Устройство эксперимента SABRE специально сделано похожим на другой эксперимент, шедший в Гран-Сассо с 1995 года, под названием DAMA. 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. Теория говорила, что относительная скорость любых частиц тёмной материи, обнаруженных на Земле, должна достигать максимума в июне и минимума в декабре.

Давид Д’Анджело

В течение почти 15 лет DAMA действительно регистрировал ^[38] сезонные флуктуации в детекторах, совпадавших с теорией и с ожидаемой сигнатурой частиц ТМ. Всё выглядело так, будто DAMA стал первым экспериментом в мире, обнаружившим частицу тёмной материи. 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.

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

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

«Я, конечно, беспокоюсь, что мы не найдём никакой ТМ, и что мы охотимся за привидениями, но наука так устроена, — сказал Д’Анджело. – Иногда ты проводишь несколько лет в поисках чего-либо, а потом его там не оказывается, и тебе приходится менять способ мышления ^[39] по поводу всего».

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

Больше статей на научно-популярную тему вы сможете найти на сайте Golovanov.net ^[40]. Подписывайтесь на обновления по e-mail, через RSS ^[41] или канал Яндекс.Дзен ^[42].

По многочисленным просьбам реализована возможность поддержать проект материально ^[43]. Спасибо всем, кто уже оказал поддержку!

Автор: SLY_G

Источник ^[44]