Существование во Вселенной скрытой массы — темной материи — сегодня не вызывает сомнений. Она проявляет себя только через гравитацию, удерживая галактики от распада и влияя на распространение света. Все, что мы наблюдаем: звезды, планеты, газ — составляет лишь около пяти процентов Вселенной, остальное — невидимо. Большинство ученых полагает, что темная материя состоит из неизвестных частиц, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом.
Возможными кандидатами на роль частиц темной материи предполагаются так называемые WIMP — слабо взаимодействующие массивные частицы. Несмотря на многолетние поиски в ускорителях и подземных лабораториях по всему миру, они не были обнаружены. Однако уже почти три десятилетия работает установка DAMA/LIBRA, которая показывает стабильный и воспроизводимый эффект: сцинтилляционные вспышки в кристаллах йодистого натрия с энергией от двух до шести килоэлектронвольт, число которых увеличивается в июне и уменьшается в декабре, циклично повторяясь из года в год.
Физическую природу этих парадоксальных результатов изучают ученые из НИИ физики Южного федерального университета. Научная школа действует под руководством таких всемирно известных ученых, как доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории космических исследований Владимир Корчагин и доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории космических исследований профессор Максим Хлопов.
Опираясь на гипотезу «темных атомов», предложенную профессором Хлоповым еще в 2010 году, ученые заключают, что темная материя состоит не из одиночных элементарных частиц, а из нейтральных составных объектов — темных атомов, внутри которых находятся тяжелые многозарядные частицы. Простейший «темный атом» образуется, когда дважды отрицательно заряженная частица связывается с ядром обычного гелия в период его образования в ранней Вселенной.
«Когда такие темные атомы летят сквозь Землю, они сталкиваются с породой, тормозятся и теряют энергию. Они движутся недостаточно быстро, чтобы выбить ядро из кристаллической решетки детектора — именно на таком эффекте основан поиск WIMP в других экспериментах. Но темные атомы могут захватываться ядрами натрия, входящими в состав детектора DAMA/LIBRA, и образовывать с ними слабосвязанное состояние. При этом выделяется энергия в виде гамма-кванта, и его энергия как раз попадает в чувствительный диапазон установки», — рассказал Максим Хлопов.
Для тяжелых ядер йода такой процесс оказывается энергетически невыгодным, и этот факт объясняет, почему другие эксперименты, например, на ксеноне, не видят похожего сигнала: у них просто нет легких ядер, способных захватывать темные атомы.
«Высокая статистическая значимость этого результата — 13,5 стандартных отклонений — казалось бы, вступает в противоречие с отрицательными результатами прямого поиска WIMP в других экспериментах», — поделился Владимир Корчагин.
В программной статье, опубликованной ростовскими астрофизиками в журнале первого квартиля Universe совместно с руководителем эксперимента доктором Ритой Бернабей и сотрудниками лаборатории в Италии, дано детальное объяснение наблюдаемым годовым осцилляциям событий и предложена интерпретация результатов других экспериментальных групп в терминах темных атомов.
Ключевым тестом для этой гипотезы станет австралийская установка SABRE South — первая в Южном полушарии лаборатория по поиску темной материи, аналогичная DAMA/LIBRA. Если она тоже зарегистрирует годичные колебания сигнала, это будет почти окончательным доказательством, что природа скрытой массы раскрыта.
«Если наличие годовых осцилляций событий подтвердится на этой установке, то природу скрытой массы можно считать установленной, открывающей уникальные возможности темных атомов для их практического освоения», — подчеркивает Максим Хлопов.
Пока же ученые ЮФУ продолжают совершенствовать свою модель, рассчитывая электрическое и ядерное взаимодействие темных атомов с обычным веществом, а также учитывая распределение заряда внутри ядер и их возможную деформацию. Кроме этого, они разрабатывают методику ее всесторонней проверки в поисках стабильных многозарядных частиц на коллайдерах в сочетании с астрофизическим поиском эффектов присутствия темных атомов в небесных телах.