Физики обнародовали новые результаты самой масштабной охоты за частицами темной материи

Темная материя — таинственная субстанция, которую никто никогда не видел и не регистрировал. Причина: она мало взаимодействует с обычной материей или светом, поэтому «поймать» ее специальными приборами сложно. Ученые догадываются о ее существовании только по косвенным признакам: благодаря гравитационному воздействию, которое темная материя, вероятно, оказывает на обычную.

Предполагается, что на темную материю приходится 80 процентов всего вещества во Вселенной. Она необходима для объяснения нестыковок в поведении физических тел. В частности, так объясняют проблемы скрытой массы в эффектах аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик и гравитационного линзирования.

Многие физики считают, что основу этой загадочной субстанции составляют гипотетические слабо взаимодействующие массивные частицы — вимпы (WIMPs). Эти частицы ученые и пытаются «поймать», причем не одно десятилетие. Поисками вимпов обычно занимаются под землей, где наиболее благоприятные для этого условия, с помощью мощных и дорогих установок — детекторов темной материи.

Обнаружить эту таинственную субстанцию пытались в Китае во время эксперимента PandaX, в центральной части Италии, в глубине горного массива Гран-Сассо, где проходил эксперимент XENON100, и даже на Южном полюсе, где находится нейтринная обсерватория IceCube. Однако ни один из детекторов так и не дал сенсационных результатов.

В 2022 году у людей появился шанс найти темную материю. В бывшем золотом руднике в подземном исследовательском центре Сэнфорда (США), который расположен на глубине 1,5 километра, заработал крупнейший и самый чувствительный в мире детектор вимпов — LUX-ZEPLIN. Установка фиксирует столкновение частиц темной материи с атомами жидкого ксенона (резервуар детектора содержит рекордные семь тонн жидкого ксенона).

Спустя 280 дней работы научного инструмента международная команда физиков представила первые результаты на двух конференциях по физике: TeV Particle Astrophysics в США и LIDINE в Бразилии.

Согласно отчету ученых, LUX-ZEPLIN не обнаружил ни одного кандидата в вимпы с необходимой для них массой выше девяти гигаэлектронвольт. Выводы исследователей хотя и могут показаться разочарованием, но позволили «наложить жесткие ограничения на природу темной материи», сократив диапазон свойств, которыми она может обладать, почти в пять раз. То есть физики стали лучше понимать, каких именно свойств у частиц темной материи нет.

«Если провести житейское сравнение с детекторами, которые люди используют для поиска темной материи, то представьте себе океан, в котором живет волшебная рыбка — вимп. Нам нужно ее найти, но мы понятия не имеем, где искать. Сперва мы зашли в океан нагишом, но ничего не нашли. Затем взяли трубку, плавали снова, на этот раз погрузились на глубину, но и там нас ждало разочарование. Мы вышли из океана, чтобы вернуться в него уже на подводной лодке — с детектором LUX-ZEPLIN, однако и в этот раз ничего путного. Тем не менее такие последовательные исследования позволили нам изучить примерно 75 процентов океана. В следующий раз мы войдем в него с еще более мощной установкой», — пояснил участник проекта LUX-ZEPLIN, физик Чамкаур Гаг (Chamkaur Ghag) из Университетского колледжа Лондона.

Детектор LUX-ZEPLIN продолжит поиски вимпов. Ожидается, что в общей сложности он проработает 1000 дней и закончит свои исследования в 2028 году. Затем его сменит детектор следующего поколения XLZD. Если и он не обнаружит темную материю, вероятно, ученым придется пересмотреть отношение к этой загадочной субстанции.

Впрочем, многие исследователи сомневаются, что темная материя состоит именно из тех частиц, которые ищет LUX-ZEPLIN. Есть и те, кто считают, что она вообще не состоит из частиц, а иные — что темная материя вообще не существует.