Невидимая темная материя

Глубоко под горой в итальянских Апеннинах сложный прибор сканирует Вселенную в поисках темной материи. Студенты физического факультета Массачусетского университета сыграли важную роль в последних открытиях эксперимента DarkSide-50 и, более того, были частью этого проекта с самого его зарождения.

Устройство и эксперименты DarkSide-50 поддерживаются Национальным институтом ядерной физики и Национальным научным фондом Италии, а также сотрудничающими учреждениями из Бразилии, Китая, Франции, Польши, Испании и России.

Профессор физики Андреа Покар и его студенты разработали и построили сеть, являющуюся одним из ключевых компонентов DarkSide-50, созданного в 2009 году международной коалицией и размещенного в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Магистранты Артур Керлей и Кристен Рэндл разработали, собрали и установили это тонкое устройство.

Несмотря на то, что о присутствии темной материи можно сделать вывод исходя из ее гравитационного воздействия, физикам очень сложно ее идентифицировать из-за практически полного отсутствия ее взаимодействия с «обычной» материей. В итоге им приходится придумывать новые способы для ее регистрации.

В качестве цели для привлечения частиц, из которых предположительно состоит темная материя, DarkSide-50 использует цистерну жидкого аргона с маленьким карманом газа аргона, расположенным сверху. Жидкий аргон – цель для частиц темной материи, а газовый карман в свою очередь усиливает получаемый сигнал. Аргоновое ядро окружено большим объемом чистой сцинтилляционной жидкости, защищающей его от радиоактивных шумов, которые могут сымитировать сигналы темной материи. Вспышка света, произведенная частицей, столкнувшейся с ядром аргонового атома, станет показателем того, что ученые на верном пути.

Процесс обнаружения темной материи означает, что ученому надо стать абсолютным экспертом во всем, что ей не является. Аспирант Алисса Монте ищет события, происходящие на границах детектора, где сложнее всего собрать свет и где заряд может быть захвачен, или события теряют энергию с краевым эффектом. Ее работа с этими менее «идеальными» участками помогает исследователям понять поведение всего детектора.

Ожидание проявления темной материи – это буквально дзен-подобный процесс.

«Если мы хотим увидеть новую материю, то это будет совершенно новый сигнал, – объясняет Покар. – Все проявляет радиоактивность. Так что вам необходимо знать, как выглядят все эти сигналы в вашем детекторе и как они могут имитировать темную материю. Если одно из событий в итоге проберется, то статистически это будет представлять невероятную важность. Нам придется начать утверждать, что это действительно тот сигнал».

На симпозиуме DarkMatter 2018, прошедшем в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, Монте и остальная команда Покара представили первый доклад о высокой чувствительности инструмента в отношении конкретного класса принципов темной материи. Командой были собраны данные об измерениях, которые они даже не ожидали получить.

«Оказалось, что мы намного более чувствительны любого другого эксперимента, действующего сейчас в диапазоне определенной массы, – рассказывает Покар. – На протяжении нескольких десятилетий исследования раздвигали границы, ища тяжелый материал, но так и не добились результатов. Люди стали спрашивать себя, может быть искать надо в другом месте. И вот мы разработали этот эксперимент, и вслед за нами начали появляться другие подобные эксперименты».

У команды теперь есть «тонкое понимание» того, как их датчик регистрирует фоновые события.

«Никто даже не ожидал, что мы что-то скажем о темной материи низкой массы, а мы добились самой высокой чувствительности в мире, – говорит Покар. – Внезапно, мы стали значимым игроком в этой игре».