Тайна скрытого сектора. Что задумали в подземной лаборатории

В Китае открыли крупнейшую в мире подземную лабораторию по поиску темной материи — неуловимой субстанции, на которую приходится немалая доля вещества Вселенной. Сразу два эксперимента напрямую регистрируют потоки частиц темного галактического гало.

Открытие темного нечто

По современным представлениям, большая часть массы галактик невидима и недоступна для регистрации ни одним из наших приборов. Ученые убеждены: скрытое от нас вещество — особый вид материи. Ее называют темной.

Подсчитали, что на темную материю приходится не менее четверти всего вещества Вселенной. Она не взаимодействует с электромагнитным излучением и не испускает ничего сама. Проявляет себя лишь в гравитации.

На существование темной материи указывают скорости орбитального кругового движения звезд в гравитационном поле галактик. Проще говоря, видимой массы всех звезд и газа в галактике не хватает, чтобы они не разлетались. Значит, есть невидимая масса. Предполагают, что галактики погружены в гало темного вещества.

О темной материи свидетельствует и гравитационное линзирование — аномальное отклонение света далеких галактик по пути к Земле. Эти искажения позволяют установить распределение масс в скоплениях галактик.

По данным космической обсерватории "Планк", 83% плотности материи Вселенной — темная (или 26,8% — массы-энергии).

Структура этого вещества остается загадкой. Прошло уже почти сто лет, как астрофизик Фриц Цвикки выдвинул гипотезу о темной материи, а экспериментально ее так и не выявили.

У частиц темного вещества должна быть масса, поскольку они взаимодействуют с видимой материей гравитационно. Возможно, способны к слабому взаимодействию. Считается, что темные частицы родились в момент Большого взрыва и, видимо, стабильны — раз существуют до сих пор.

Многочисленные эксперименты пока ничего не дали. Теоретических моделей, объясняющих, какие нужно искать результаты, все больше. Есть надежда, что детекторы нового поколения приоткроют тайну неуловимых частиц.

Подземные детекторы темной материи

Кандидатов на роль носителей темной материи немало. Особое внимание привлекают слабо взаимодействующие массивные частицы, обозначаемые для краткости WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Предполагают, что можно зарегистрировать продукт их реакции — например, пару нейтрино.

В принадлежности к темной материи подозревают и нейтрино.

Не исключено, что темная материя состоит из частиц скрытого сектора — так называют гипотетические объекты, не вписывающиеся в Стандартную модель. Например, темный фотон. Еще одна теоретическая частица-кандидат — аксион.

Поиски темной материи переживают ренессанс благодаря развитию теории и технологическому прогрессу. К услугам ученых — десятки установок на Земле и в космосе. В частности, на МКС проводят эксперимент AMS.

Большие надежды возлагают на прямую регистрацию WIMP в подземных детекторах. Чем глубже находится установка, тем лучше. Мощный слой горных пород экранирует от космического излучения, фоновой радиации. Для регистрации используют емкость со сцинтиллятором — германием или сжиженным ксеноном.

Согласно современным представлениям, Солнечная система движется сквозь галактическое гало, частицы которого образуют потоки. Перемещение Земли по орбите создает годичные флуктуации потоков темного вещества, что удается наблюдать.

Частица темной материи сталкивается с ядром атома жидкости и отскакивает, передавая ей энергию. Возбужденный атом испускает свет, который регистрируют фотоумножители, — ими плотно выкладывают емкость со сцинтиллятором изнутри. Это даст представление о массе, спине и других свойствах WIMP.

По оценкам, в год на килограмм детектора приходится максимум одно взаимодействие. Из-за редкости событий собирать статистику надо много лет. Чем больше детектор и чем стабильнее сцинтиллятор, тем выше шансы на успех.

Лаборатория CJPL-II в Китае

Самая глубокая — 2,4 километра, а значит, самая защищенная лаборатория по прямому поиску частиц темной материи находится в горном массиве Цзиньпин в Китае, в тоннелях гидроэлектростанции.

Первую очередь запустили в 2010-м. Все это время там проводили два эксперимента — CDEX (China Dark Matter Experiment) и PandaX (Particle and Astrophysical Xenon Detector).

Твердотельный полупроводниковый детектор в CDEX предназначен прежде всего для поиска легких WIMP. В нем десять килограммов кристаллов чистого германия. На днях, сообщает Nature, открыли вторую очередь тоннелей — CJPL-II. Это увеличит массу детектора до ста килограммов. В перспективе — до тонны.

В PandaX-4T — двухфазный детектор с жидким и газообразным ксеноном внутри 900-килограммовой емкости с водой для лучшего экранирования. С 120 килограммов его увеличили до четырех тонн. По этому параметру эксперимент приближается к показателям детекторов темной материи нового поколения — итальянскому LNGS XENONnT (8,6 тонны, Гран-Сассо) и семитонному LUX-ZEPLIN в США. Китайцы же планируют дойти до 40-50 тонн.

Необходимо сразу несколько детекторов темной материи, подчеркивают физики. Это позволит проверить результаты друг друга. Так, в 2022-м коллаборация PandaX уже установила, что зарегистрированный ранее сигнал на LNGS XENON на самом деле фоновый.