Согласно современным физическим гипотезам, тёмная материя состоит из слабовзаимодействующих массивных частиц, которые учёные называют вимпами, от английской аббревиатуры Weakly Interacting Massive Particle — WIMP. Считается, что эти частицы участвуют только в двух видах взаимодействий — слабом и гравитационном, из-за чего их крайне непросто обнаружить. Вимпы невидимы для электромагнитных приборов и не поглощаются ядрами атомов.
Серия экспериментов под названием “Криогенный поиск тёмной материи” (CDMS) была направлена на поиск следов вимпов при помощи матрицы полупроводниковых детекторов, работающих при температуре почти абсолютного нуля (0,01 градуса Кельвина).
В феврале 2010 года, когда учёные заявили о том, что частицы тёмной материи, наконец, обнаружены, выяснилось, что тревога была ложной, и прибор засёк столкновения посторонних частиц. Тогда устройство сработало дважды и, хоть вероятность открытия была недостаточной, об этом случае сообщили в журнале Science.
Вторая серия экспериментов CDMS-II проходит в подземных шахтах штата Миннесота на глубине 713 метров. Такое необычное расположение научных приборов обусловлено тем, что поставленные на поверхность Земли детекторы могут показывать неверные результаты из-за помех, создаваемых посторонними частицами и следами космического излучения.
Первые следы вимпов были обнаружены учёными при помощи 19 германиевых детекторов. А самые современные эксперименты, которые проводятся на 11 кремниевых детекторах, дают более точные результаты, поскольку кремний более чувствителен к столкновениям низкоэнергетических частиц, нежели германий.
13 апреля 2013 года на собрании Американского физического сообщества (American Physical Society) учёные, работавшие с детекторами в заброшенной железной шахте в Миннесоте, сообщили (PDF-документ) о трёх случаях предположительного попадания в них частиц тёмной материи. Два из этих случаев зафиксировал один и тот же детектор. Доклад о событии сделал Кевин МакКарти (Kevin McCarthy) из Массачусетского технологического института (MIT).
Физики уверяют, что вероятность того, что это была не помеха, а именно след вимпа, составляет 99,81%, но и этого недостаточно, чтобы полноценно назвать событие открытием. Считается, что вероятность ошибки должна быть ниже 0,00006%, чтобы можно было сообщать об открытии с полной уверенностью.
Устройства, используемые для эксперимента CDSM-II, охлаждаются до температуры в 40 милликельвинов. При такой низкой температуре детектор может засечь столь незначительное количество тепла, которое выделяется при столкновении частицы с кристаллом устройства. Главная задача состоит в том, чтобы отличить столкновение вимпов от столкновений других частиц, к примеру, нейтронов.
Во избежание путаницы детекторы экранируют. Учёные также стараются максимально точно высчитать, сколько столкновений происходит по вине посторонних (фоновых) частиц.
На пути к сообщению о полноценном открытии стоит два главных препятствия. Во-первых, всех смущает опыт 2010 года, когда ситуация была очень похожей. Правда, тогда детектор сработал дважды, а на этот раз — трижды. Во-вторых, расчёты показали, что масса гипотетической частицы тёмной материи должна составлять всего 8,6 ГэВ (гигаэлектронвольтов), что значительно меньше, чем ожидали физики-теоретики.
Параллельно в Судане в одной из шахт проводится похожий эксперимент, который называется SuperCDMS. Учёные надеются, что он даст больше доказательств существования частиц тёмной материи.
Детектирование следов столкновений вимпов с другими частицами является непрямым способом поиска тёмной материи. В этом случае учёные ловят не сами вимпы, а лишь признаки их существования. Существует и другой метод поиска загадочной субстанции — прямой, когда высокочувствительные детекторы стараются поймать именно частицы тёмной материи.
К таким высокочувствительным детекторам прямого поиска относятся LUX, расположенный в шахте Homestake в Южной Дакоте, и XENON1T в горном массиве Гран-Сассо в Италии. Такие детекторы представляют собой большие ёмкости, наполненные жидким благородным газом ксеноном.
На сегодняшний день самым точным и дорогостоящим прибором для поиска тёмной материи является магнитный альфа-спектрометр AMS-02, расположенный на МКС. Ранее мы писали о том, как он зафиксировал всплеск позитронов (самых распространённых частиц антиматерии), которые могли возникнуть в результате столкновений частиц тёмной материи.