Лучший в мире детектор темной материи вступил в строй

Испытания крупнейшего в мире детектора темной материи LUX-ZEPLIN прошли успешно. Огромная установка работает как надо и готова к поиску неуловимых вимпов. Это гипотетические частицы, из которых, как надеются многие физики, и состоит темная материя. Тесты начались 23 декабря  2021 года и закончились 11 мая 2022 года. Их результаты уже опубликованы в виде препринта. Спойлер: темной материи пока не нашли. Впрочем, никто и не ждал открытия так скоро.

Загадочное нечто

Что такое темная материя? Астрономы могут измерить количество звезд и газа по их излучению. С другой стороны, движение звезд и целых галактик (а также гравитационное линзирование) позволяет рассчитать их тяготение. И у наблюдателей уже несколько десятилетий не сходится баланс. Если судить по притяжению, галактики и их скопления получаются слишком массивными. Эти и другие свидетельства приводят к интересной дилемме. Первый выход — допустить, что во Вселенной есть вещество, не наблюдаемое ни в какие телескопы (темная материя). Второй — переписать законы гравитации так, чтобы видимой материи хватало для должного тяготения.

Большинство специалистов выбирает первый путь. Тому есть несколько причин. Прежде всего переписать законы физики не так просто. Новые законы гравитации, объясняя одни наблюдения, зачастую противоречат другим. И потом, допустим, что гравитация создается только наблюдаемым веществом. Тогда должна быть однозначная связь между тяготением галактики и массой видимого вещества в ней. Подчиняющаяся какой угодно формуле, но однозначная. На практике же корреляция между ними, мягко говоря, слабовата.

Частичная разгадка?

Итак, большинство астрономов исходит из существования темной материи. Из чего же она состоит?

Может быть, это обычные для космоса объекты, слишком тусклые для наших телескопов? Черные дыры, коричневые карлики, еще что-нибудь в этом роде… Несомненно, свой вклад в невидимое вещество Вселенной вносят и они. Вот только темной материи впятеро больше, чем обычной. Мы кое-что знаем об эпохах, когда формировались первые атомные ядра и атомы. И исходя из этих знаний, сегодня в кубическом парсеке просто не может быть столько атомных ядер, сколько требуется для темной материи.

Правда, эти расчеты нельзя назвать совершенно надежными. Там есть шероховатости, за которые при желании можно зацепиться. Так что астрономы не сбрасывают со счетов версию, что это не темная материя принципиально невидимая, а телескопы у нас пока слабоваты.

Но что если жрецы космологии правы, и темная материя состоит не из атомов или их ядер? Тогда придется признать, что она состоит из каких-то других частиц. Среди множества теорий есть и такие, в которых частицы темной материи слипаются в экзотические небесные тела, своего рода «темные звезды». Но куда проще предположить, что эти частицы прямо сейчас рядом с нами, вокруг и внутри нас.

Представьте, что пространство буквально кишит невидимыми частицами. Они нескончаемым огромным потоком проходят сквозь наши тела. Почему мы этого не замечаем? Потому что эти частицы почти никогда не сталкиваются ни с ядрами атомов, ни с электронами. И только очень чувствительные детекторы, специально для этого предназначенные, могут их зафиксировать. Фантастическая картина? Только если вы никогда не слышали о нейтрино. Для них верно все вышеперечисленное.

Правда, нейтрино не годятся на роль темной материи. По крайней мере те их виды, что уловлены экспериментаторами и включены в ее величество Стандартную модель. Их суммарная масса слишком мала, чтобы порождать столь могучую гравитацию. Но они преподают нам хороший урок: пустое, казалось бы, пространство наполнено легионами трудноуловимых частиц. Что, если там есть еще какие-то частицы, и они-то и составляют темную материю?

У физиков сколько угодно кандидатов на эту роль. В своих попытках выйти за пределы Стандартной модели теоретики накопили целый зоопарк частиц, которые могут существовать, но это не точно.

Чаще других в таких выкладках возникают вимпы. Это слово образовано от аббревиатуры WIMPs, или Weakly Interacting Massive Particle, то есть «слабовзаимодействующие массивные частицы». «Массивные» в данном случае означает, что они значительно тяжелее протона или нейтрона (в отличие от чрезвычайно легких нейтрино). Насколько тяжелее, точного ответа нет, теория допускает самые разные варианты. Детектор LUX-ZEPLIN рассчитан на поиск вимпов с массами 10-30 масс протона.

Хорошо, а что означает «слабовзаимодействующие»? Напомним, что между частицами действуют только четыре силы: сильная, слабая, электромагнитная и гравитационная. Разные частицы участвуют в разных взаимодействиях. Например, кварки — во всех четырех, а электроны — во всех, кроме сильного. Вимпы, как и нейтрино, участвуют только в двух взаимодействиях — слабом и гравитационном.

Можно ли обнаружить вимпы по их гравитации? Да, когда речь идет о суммарном тяготении всех вимпов в целой галактике (именно так, напомним, астрономы и обнаружили темную материю). А что насчет вимпов в пределах вашей комнаты? Почти наверняка их суммарная гравитация необнаружима. Строго говоря, есть проекты детекторов, которые могли бы помочь. Но их авторы исходят из очень смелого предположения, что каждый отдельный вимп имеет чудовищную по меркам частиц массу. Он должен быть массивнее протона как минимум в 10¹⁸ раз, а то и вовсе достигать планковской массы (соизмеримой с массой пылинки!). Большинство теоретиков не готовы предполагать, что столь тяжелые частицы вообще бывают.

Тогда остается слабое взаимодействие. Правда, чтобы вимп вступил в такое взаимодействие с атомом, он должен буквально лоб в лоб врезаться в атомное ядро. Это крайне маловероятное событие. Но именно такие редчайшие случаи и призван вылавливать LUX-ZEPLIN.

Ложка надежды в бочке ксенона

Сердце нового детектора — титановая бочка с семью тоннами жидкого ксенона. Это и есть мишень для вимпов. Предполагается, что когда вимп врезается в атом ксенона, происходит два события. Во-первых, ядро атома испускает ультрафиолетовый фотон (это так называемая первичная вспышка). Во-вторых, из атома выбивается электрон.

За ультрафиолетовыми фотонами охотятся фотоумножители, просматривающие толщу ксенона. Электроны тоже не пропадают впустую. Электрическое поле толкает их вверх, к поверхности. Попадая в тонкий (менее сантиметра) слой паров ксенона, электрон вызывает микроскопическую вспышку света. Эти вспышки называются вторичными. Первичные и вторичные вспышки и должны сигнализировать, что в гости пожаловал вимп.

Проблема в том, что в детектор без приглашения вламываются другие частицы и тоже вызывают вспышки. Во-первых, в него попадают космические лучи. Во-вторых, в каждом природном материале есть примесь радиоактивных изотопов, испускающих радиацию. Этот фон очень мал для дозиметриста, но чрезвычайно велик для охотника за вимпами.

Вимпы можно отличить от других частиц по тому, как яркость первичной вспышки соотносится с яркостью вторичной. Для этого и нужны два вида вспышек. Но этого мало. Посторонние частицы врезаются в атомы куда чаще вимпов, так что полезный сигнал рискует утонуть в шуме.

Поэтому LUX-ZEPLIN похож на матрешку или луковицу, где мишень для вимпов — в самом центре. Все вышележащие слои призваны защитить ее от посторонних частиц или хотя бы предупредить об их появлении. Разберем эту конструкцию от центра к периферии.

Стенки титановой цистерны — двойные, и в промежуток между ними залито еще две тонны жидкого ксенона. Вообще-то это сделано ради электрической изоляции мишени от остальных частей установки. Но этот дополнительный слой тоже работает как детектор частиц. Если что-то попадет сначала в него, а сразу после в мишень, можно быть уверенным: это не вимп. Гордый вимп никогда не снизойдет до двух атомов подряд, это совершенно невероятно.

Следующий слой «матрешки» — внешний детектор. Он тоже выявляет посторонние частицы. Незваные гости вызывают вспышки в гадолиниевом сцинтилляторе, которого там ни много ни мало 17 тонн.

Вся эта система погружена в резервуар с 238 тоннами сверхчистой воды. Эта вода служит хорошим щитом от естественной радиации. А те частицы, которые сквозь нее все-таки пролетают, испускают черенковское излучение, предупреждая о своем визите.

Наконец, вся «матрешка» упрятана под землю на глубину более 1,5 километра. Толща породы прикрывает ее от космических лучей.

Рискованные вложения

LUX-ZEPLIN — не первый ксеноновый детектор вимпов. Сам принцип их действия был предложен двадцать лет назад. Его опробовали на детекторе ZEPLIN, содержавшем символические 12 килограммов ксенона. В 2012 году, когда он закончил работу, стало ясно, что вимпы не собираются клевать на столь скромную подачку. Детектор LUX работал в 2014-2016 годах и содержал уже 370 килограммов ксенона, но тоже не обнаружил никаких вимпов. Следующим стал XENON1T (3,5 тонны ксенона и 2016-2018 годы). Теперь эстафету принял LUX-ZEPLIN, наследник двух первых детекторов. Он во многом похож на них по конструкции и даже располагается на месте LUX.

Похоже, физики собираются сооружать все более крупные и дорогие детекторы, пока не закончится ксенон (а если серьезно, пока их не откажутся финансировать). Ну или пока не обнаружат вимпы. Скептики могли бы сказать, что первое куда более вероятно, чем второе. И учитывая, что вимпы — лишь одна из множества гипотез о природе темной материи, основания для скепсиса есть.

Конечно, не вимпами едиными живы поиски темной материи. Например, детекторы ADMX и ABRACADABRA пытаются уловить аксионы. Это частицы куда более легкие, чем вимпы, хотя и не менее гипотетические.

Вообще, придумать гипотезу о природе темной материи куда дешевле, чем построить детектор. Так что экспериментаторы вынуждены проверять лишь самые популярные версии. Вполне возможно, что верной в итоге окажется какая-нибудь непопулярная. Но кто не рискует, тот не пьет шампанского (и валидола тоже).