Самый чувствительный детектор в мире Large Underground Xenon (LUX) завершил первый этап поисков темной материи. Полученный нулевой результат перечеркнул итоги предыдущих экспериментов и озадачил физиков-теоретиков.
Темная материя, образующая 80% массы Вселенной, остается самой таинственной загадкой для современной науки. Эту субстанцию нельзя увидеть в микроскоп, ощутить прикосновением, понюхать поймать или измерить каким-либо инструментом из арсенала ученых-физиков. О ее присутствии сообщают лишь создаваемые ею гравитационные эффекты.
LUX — самый масштабный эксперимент по поиску темной материи. Он проходит на глубине 1478 метров под землей в заброшенной золотодобывающей шахте Homestake в американском штате Южная Дакота. В среду ученые опубликовали результаты первого 90-дневного этапа эксперимента.
«По сути, мы не обнаружили абсолютно ничего. Но наш нулевой результат более ценен, чем любой другой из полученных ранее. Мы провели самый высокоточный поиск темной материи в истории науки», — подытожил участвующий в проекте LUX физик Йельского университета Дэниел Маккинси.
По словам исследователей, нулевой результат LUX должен остановить царящий в данном научном сегменте хаос и упорядочить дальнейшие поиски. Ранее авторы многих предыдущих экспериментов сообщали о получении различных «намеков» на темную материю, спорили друг с другом из-за ложноположительных сигналов, и предсказывали, что чуть более точный детектор прямо обнаружит эту таинственную субстанцию.
Чувствительность LUX была в 20 раз выше, чем в предыдущих экспериментах. Детектор зафиксировал более 1600 событий (примерно по одному в час), но не одно из них не имело отношения к темной материи.
«Если бы темная материя была в той шахте, и если бы она вела себя таким образом, как мы предполагали, мы бы уже ее обнаружили. Тот факт, что мы не нашли никаких свидетельств присутствия частиц темной материи может означать, что физикам пора вернуться к чертежным доскам», — отмечает доктор Университетского колледжа Лондона Чакаур Гаг.
Большинство современных физиков считают, что темная материя состоит из массивных частиц — мейнстримных вимпов (Weakly Interacting Massive Particle, WIMP). Предполагается, что миллионы таких вимпов каждую секунду пролетают сквозь нас, не взаимодействуя с молекулами нашего тела.
Проверить данную гипотезу ученые надеются тремя способами: поиском следов темной материи в космосе, созданием темной материи в Большом адроном коллайдере, и ловлей пронизывающих нашу планету частиц темной материи в подземных детекторах, таких как LUX.
Подземные эксперименты пытаются обнаружить отскок ядра атома (инертного газа ксенона) происходящий после точного попадания в него частицы темной материи. Частица темной материи ускользнет, но атом издаст световую вспышку, которую можно отследить. Шанс обнаружения этой вспышки — 1 на 10 триллионов. Это похоже на попытку заметить, у кого дернулось ухо на стадионе, заполненном безумными футбольными фанатами.
Чтобы «утихомирить фанатов», ученые поместили эксперимент под 1,5-километровый слой скалистого грунта. Толща скал задерживает почти все другие частицы, не относящиеся к темной энергии, а также хорошо экранирует космические радиационные лучи, способные напрочь заглушить сверхчувствительные датчики.
Помимо этого, детектор LUX размером с телефонную будку помещён в резервуар, заполненный 250 тоннами сверхчистой, деионизированной воды, предохраняющей чувствительный прибор от гамма-излучения и рассеянных нейтронов.
В центре резервуара находится жидкий ксенон. Этот материал втрое плотнее воды и охлажден до минус 150 градусов Цельсия, что должно, по замыслу авторов эксперимента, повысить вероятность его взаимодействия с мейнстримными вимпами.
В ближайшее время исследователи увеличат чувствительность LUX еще в 1000 раз. В 2014 г. они запустят 300-дневный этап эксперимента, который должен либо окончательно найти темную материю, либо исключить обширную область пространства, где она могла бы существовать.
Если и в этот раз команда LUX не обнаружит следов неуловимых частиц, физикам придется признать нынешнюю концепцию темной материи ошибочной и придумать новые гипотезы.
