Почти в двух десятках подземных лабораторий, разбросанных по всему миру, уставленных чанами с жидкостью или блоками из металла и полупроводников, ученые ищут следы темной материи. Их эксперименты становятся все сложнее и сложнее, а поиск проходит все точнее, но пока никто не нашел прямых доказательств существования таинственной субстанции, из которой состоит 84% всей материи во Вселенной. Согласно новому исследованию, мы должны зреть в корень, то есть еще глубже.
Темная материя отличается от обычной барионной материи — вещества, из которого состоят звезды, галактики, собаки, люди и все остальное — тем, что не взаимодействует ни с чем никак, кроме как через гравитацию (и, возможно, слабую ядерную силу). Мы этого не видим, но физики почти уверены, что она существует и как скульптор лепит галактики на их пути через космос.
На протяжении многих десятилетий предпочтительными кандидатами на частицы темной материи были гипотетические скромные частицы — «вимпы» (WIMP), или слабо взаимодействующие массивные частицы. Многие эксперименты пытаются найти вимпы по следам их столкновения с обычным веществом. В таком сценарии вимп должен коснуться атомного ядра посредством слабой силы. Испуганное ядро отскочит и испустит энергию в некоторой форме, вспышку света или звуковую волну. Обнаружение таких едва заметных явлений требует чувствительных инструментов, которые обычно закладываются глубоко под землю. В основном это происходит оттого, что инструменты будут защищены от космических лучей, которые также могут вызывать реакцию ядер.
После десятилетних поисков этих слабых сигналов, ученые практически ничего не нашли. И вот, команда физиков из Польши, Швеции и США предложила другую идею. Они считают, что нужно смотреть не на германий, ксенон и сцинтилляторы в детекторах под земной корой. Они считают, что нужно смотреть на саму земную кору. В летописях пород, где записываются и покрываются слоями истории нашей Солнечной системы, мы могли бы найти окаменевшие записи потревоженных атомных ядер, замороженные следы WIMPов.
«Мы всегда ищем альтернативные подходы», говорит Кэтрин Фриз, физик-теоретик из Мичиганского университета и разработчик идей, которые легли в основу существующих детекторов.
Подземный палеодетектор будет работать аналогично современным методам прямого обнаружения. Вместо того, чтобы оснащать лабораторию с большим объемом жидкости или металла для наблюдения вспышек WIMP в реальном времени, можно поискать окаменевшие следы WIMP, врезающихся в атомные ядра. Некоторые классы минералов могли бы зафиксировать такие следы.
Если ядро отскакивает с достаточной энергией, и если возмущенные атомы затем оказываются глубоко под землей (чтобы защитить образец от космических лучей, которые могут запутать данные), след отскока может быть сохранен. Если так, то ученые могут раскопать камень, разобрать его по слоям времени и исследовать события прошлого, используя сложные методы нановизуализации, вроде атомно-силовой микроскопии. Конечным результатом будет след окаменелости: след зауропода во время его бегства от хищника, только в терминологии темной материи.
Крошечные следы
Около пяти лет назад Фриз начала искать идеи для новых типов детекторов вместе с Анджеем Друкиером, физиком из Стокгольмского университета, который начал свою карьеру с изучения обнаружения темной материи, прежде чем заняться биофизикой. Одна из их идей, разработанная вместе с биологом Джорджем Черчем, касалась детекторов темной материи, основанных на ДНК и реакциях ферментов.
В 2015 году Друкиер отправился в российский Новосибирск, чтобы поработать над прототипом биологического детектора, который будет размещен под земной поверхностью. В России он узнал о скважинах, пробуренных во время холодной войны, некоторые из которых уходят на 12 километров вниз. Никакие космические лучи не могут проникнуть так далеко. Друкиер был заинтригован.
Обычные детекторы темной материи относительно большие и очень чувствительны к внезапным событиям. Они проводят свои поиски в течение нескольких лет, но по большей части ищут сигналы WIMP в реальном времени. Минералы, хоть и относительно небольшие, и менее чувствительные к взаимодействию, могут олицетворять поиск, который длился сотни миллионов лет.
«Этим кускам пород, извлеченным из очень, очень глубоких кернов, практически миллиард лет», говорит Друкиер. «Чем глубже уходишь, тем они старше. Не нужно строить детектор. Детектор уже есть, в земле».
Но у земли есть свои проблемы. Планета полна радиоактивного урана, который производит нейтроны по мере распада. Эти нейтроны также могут выбивать ядра. Фриз говорит, что первоначальная работа ученых, описывающая палеодетекторы, не учитывала шум, который создается распадом урана, но множество комментариев других заинтересованных ученых заставили их вернуться и пересмотреть документ. Команда провела два месяца, изучая тысячи минералов, чтобы понять, какие из них изолированы от распада урана. Они утверждают, что лучшие палеодетекторы будут состоять из морских эвапоритов — по сути, каменной соли — или пород, содержащих очень мало кремнезема, которые называются ультраосновными породами. Кроме того, они ищут минералы, содержащие много водорода, поскольку водород эффективно блокирует нейтроны, возникающие при распаде урана.
Поиск следов в почве может привести нас к маломассивным вимпам, считает Трейс Слатьер, физик-теоретик из Массачусетского технологического института, не принимавшая участия в исследованиях.
«Вы ищете ядро, которое вроде бы беспричинно прыгает, но оно должно подпрыгнуть на определенную величину, чтобы его заметили. Если мячик для пинг-понга столкнется с шаром для боулинга, вы не заметите особого смещения последнего — если только у вас нет возможности зарегистрировать мельчайшие изменения в движении шара для боулинга».
Самый сложный эксперимент
Работа в полевых условиях будет непростой. Исследования должны будут проводиться глубоко под землей, где образцы керна будут защищены от космического и солнечного излучения. И для обнаружения свидетельств растолканных ядер потребуются современные методы нановизуализации.
По словам Слатьер, даже если WIMP оставит видимый шрам, основной проблемой палеодетекторов будет доказательство того, что ископаемые следы действительно рождены частицами темной материи. Исследователям придется потратить много времени, чтобы убедить себя, что взаимодействия с ядрами — это не работа нейтронов, нейтрино Солнца или чего-то еще.
«Придется опуститься довольно глубоко, чтобы защититься от космических лучей. Но это не лаборатория. Это не контролируемые условия. Вы можете не знать полной истории каменных отложений. Даже если вы обнаружите в них сигнал, придется проделать гораздо больше работы, чтобы убедиться, что вы не видите какой-нибудь фон».
Друкиер и Фриз считают, что сила палеодетекторов может заключаться в цифрах. Порода содержит множество минералов, каждый из которых содержит атомные ядра, которые по-разному отскакивают от мародерствующих вимпов. Поэтому разные элементы будут служить разными детекторами, но все они будут заключены в один образец керна. В будущем палеодетектор мог бы даже предоставить записи о вимпах во времени, точно так же, как окаменелости позволяют палеонтологам реконструировать историю жизни на Земле.
По мнению Слатьер, длинная летопись могла бы предложить уникальный взгляд на гало темной материи Млечного Пути, облако невидимого материала, через которое проплывает Земля, когда солнечная система совершает свое движение по орбите в 250 миллионов лет вокруг центра галактики. Понимание распределения гало темной материи Млечного Пути может дать представление о его физическом поведении, говорит Слатьер. Возможно, это также продемонстрирует, может ли темная материя взаимодействовать способами, которые выходят за пределы гравитации.
«Именно здесь теория и моделирования находятся в стадии активного развития», говорит она. «Найдем ли мы темную материю», спрашивает Друкиер. «Я провел тридцать пять лет в ее поисках. Наверное, это самый сложный эксперимент в мире, поэтому нам может не повезти. Но это круто».
