Тайна темной материи: что на самом деле засек детектор в Италии. Невидимый цемент вселенной Как ученые узнали о темной материи

Теоретическая конструкция в физике, называемая Стандартной моделью, описывает взаимодействия всех известных науке элементарных частиц. Но это всего 5% существующего во Вселенной вещества, остальные же 95% имеют совершенно неизвестную природу. Что представляет из себя эта гипотетическая темная материя и как ученые пытаются ее обнаружить? Об этом в рамках спецпроекта рассказывает Айк Акопян, студент МФТИ и сотрудник кафедры физики и астрофизики.

Стандартная модель элементарных частиц, окончательно подтвержденная после обнаружения бозона Хиггса, описывает фундаментальные взаимодействия (электрослабое и сильное) известных нам обычных частиц: лептонов, кварков и переносчиков взаимодействия (бозонов и глюонов). Однако оказывается, что вся эта огромная сложная теория описывает лишь около 5–6% всей материи, тогда как остальная часть в эту модель никак не вписывается. Наблюдения самых ранних моментов жизни нашей Вселенной показывают нам, что примерно 95% материи, которая окружает нас, имеет совершенно неизвестную природу. Иными словами, мы косвенно видим присутствие этой скрытой материи из-за ее гравитационного влияния, однако напрямую поймать ее пока не удавалось. Это явление скрытой массы получило кодовое название «темная материя».

Современная наука, особенно космология, работает по дедуктивному методу Шерлока Холмса

Сейчас основным кандидатом из группы WISP является аксион, возникающий в теории сильного взаимодействия и имеющий очень малую массу. Такая частица способна в больших магнитных полях превращаться в фотон-фотонную пару, что дает намеки на то, как можно попробовать ее обнаружить. В эксперименте ADMX используют большие камеры, где создается магнитное поле в 80000 гаусс (это в 100000 раз больше магнитного поля Земли). Такое поле в теории должно стимулировать распад аксиона на фотон-фотонную пару, которую и должны поймать детекторы. Несмотря на многочисленные попытки, пока обнаружить WIMP, аксионы или стерильные нейтрино не удалось.

Таким образом, мы пропутешествовали через огромное количество различных гипотез, стремящихся объяснить странное наличие скрытой массы, и, откинув с помощью наблюдений все невозможное, пришли к нескольким возможным гипотезам, с которыми уже можно работать.

Отрицательный результат в науке - это тоже результат, так как он дает ограничение на различные параметры частиц, например отсеивает диапазон возможных масс. Из года в год все новые и новые наблюдения и эксперименты в ускорителях дают новые, более строгие ограничения на массу и другие параметры частиц темной материи. Таким образом, выкидывая все невозможные варианты и сужая круг поисков, мы день ото дня становимся все ближе к понимаю, из чего же все-таки состоит 95% материи в нашей Вселенной.

МОСКВА, 31 окт — РИА Новости, Ольга Коленцова. Расчеты ученых показали, что Вселенная на 95% состоит из пока не исследованного людьми вещества: 70% приходится на темную энергию, а 25% — на темную материю. Предполагается, что первая представляет собой некое поле с ненулевой энергией, а вот вторая состоит из частиц, которые можно обнаружить и изучить. Но не зря это вещество называют скрытой массой — его поиски длятся немалое время и сопровождаются жаркими дискуссиями среди физиков. Для того чтобы донести свои исследования до общественности, ЦЕРН даже инициировал День темной материи, который впервые отмечается сегодня, 31 октября.

Сторонники существования темной материи приводят довольно весомые аргументы, подтвержденные экспериментальными фактами. Ее признание началось в тридцатых годах XX века, когда швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники движутся вокруг общего центра. Как известно, скорость движения зависит от массы. Расчеты ученого показали, что истинная масса галактик должна быть намного больше, чем определенная в процессе наблюдений при помощи телескопов. Получалось, что довольно крупная часть галактик просто не видна нам. Следовательно, она состоит из материи, не отражающей и не поглощающей свет.

Вторым подтверждением существования скрытой массы является изменение света при прохождении через галактики. Дело в том, что любой обладающий массой объект искажает прямолинейный ход лучей света. Таким образом, темная материя внесет свои изменения в световую картину (изображение удаленного объекта), и та станет отличаться от картины, которая создавалась бы только видимым веществом. Существует десять свидетельств существования темной материи, но описанные два относятся к основным.

Хотя доказательства существования темной материи достаточно убедительны, пока никто не нашел и не изучил частицы, из которых она состоит. Физики предполагают, что такая скрытность обусловлена двумя причинами. Первая заключается в том, что эти частицы обладают слишком высокой массой (связанной с энергией через формулу E=mc² ), поэтому возможностей современных ускорителей просто не хватает для "рождения" такой частицы. Вторая причина заключается в очень малой вероятности появления темной материи. Возможно, мы не можем найти ее именно из-за того, что она крайне слабо взаимодействует с человеческим телом и известными нам частицами. Хотя темная материя повсюду (согласно расчетам) и ее частицы буквально проносятся через нас каждую секунду, мы просто этого не ощущаем.

Темная материя Вселенной "худеет", заявляют российские физики Количество темной материи во Вселенной уменьшилось примерно на 2-5%, что может объяснять расхождения в значении некоторых важных космологических параметров во времена Большого Взрыва и сегодня.

Для обнаружения частиц темной материи ученые используют детекторы, которые расположены под Землей для минимизации лишних воздействий. Предполагается, что изредка частицы темной материи все же сталкиваются с атомными ядрами, передают им часть импульса, выбивают электроны и вызывают вспышки света. Частота таких столкновений зависит от вероятности взаимодействия частиц темной материи с ядром, их концентрации и относительной скорости (с учетом движения Земли вокруг Солнца). Но экспериментальные группы даже при обнаружении некоторого воздействия, отрицают, что данный отклик детектора вызвала темная материя. И только итальянская экспериментальная группа DAMA, работающая в подземной лаборатории Гран-Сассо, сообщает о наблюдаемых годичных вариациях скорости счета сигналов, предположительно связанных с движением Земли сквозь галактическую скрытую массу.

В данном эксперименте на протяжении нескольких лет измеряются количество и энергия вспышек света внутри детектора. Исследователи доказали наличие слабых (около 2%) годичных колебаний скорости счета таких событий.

Хотя итальянская группа уверенно отстаивает надежность проведенных экспериментов, мнения ученых по этому поводу довольно неоднозначны. Основное слабое место результатов, полученных итальянской группой, — их неповторяемость. Например, когда открыли гравитационные волны, их засекали лаборатории по всему миру, тем самым подтверждая полученные другими группами данные. В случае с DAMA дело обстоит иначе — больше никто в мире не может похвастаться наличием таких же результатов! Конечно, есть возможность того, что у этой группы более мощные детекторы или свои методы, но такая уникальность эксперимента вызывает у некоторых исследователей сомнения в его достоверности.

"Пока нельзя точно сказать, к чему относятся данные, собранные в лаборатории Гран-Сассо. В любом случае группа из Италии предоставила положительный результат, а не отрицание чего-либо, что уже сенсация. Теперь найденным сигналам необходимо искать объяснение. И это прекрасный стимул к развитию самых разных теорий, в том числе посвященных созданию модели скрытой массы. Но даже если ученый пытается объяснить, почему полученные данные никоим образом не относятся к темной материи, это все равно может стать новым шагом в понимании Природы. В любом случае результат есть и надо продолжать работу. Но полностью согласиться, что темная материя найдена, лично я на данный момент не могу", — комментирует Константин Белоцкий, ведущий научный сотрудник Кафедры физики элементарных частиц НИЯУ "МИФИ".

Расчеты ученых показали, что Вселенная на 95% состоит из пока не исследованного людьми вещества: 70% приходится на темную энергию, а 25% - на темную материю. Предполагается, что первая представляет собой некое поле с ненулевой энергией, а вот вторая состоит из частиц, которые можно обнаружить и изучить.

Но не зря это вещество называют скрытой массой - его поиски длятся немалое время и сопровождаются жаркими дискуссиями среди физиков. Для того чтобы донести свои исследования до общественности, ЦЕРН даже инициировал День темной материи, который впервые отмечается сегодня, 31 октября.

Снимок скопления галактик. Линиями показаны "очертания" темной материи

Хотя доказательства существования темной материи достаточно убедительны, пока никто не нашел и не изучил частицы, из которых она состоит. Физики предполагают, что такая скрытность обусловлена двумя причинами. Первая заключается в том, что эти частицы обладают слишком высокой массой (связанной с энергией через формулу E=mc²), поэтому возможностей современных ускорителей просто не хватает для "рождения" такой частицы. Вторая причина заключается в очень малой вероятности появления темной материи. Возможно, мы не можем найти ее именно из-за того, что она крайне слабо взаимодействует с человеческим телом и известными нам частицами. Хотя темная материя повсюду (согласно расчетам) и ее частицы буквально проносятся через нас каждую секунду, мы просто этого не ощущаем.

Детектор для обнаружения темной материи

Хотя итальянская группа уверенно отстаивает надежность проведенных экспериментов, мнения ученых по этому поводу довольно неоднозначны. Основное слабое место результатов, полученных итальянской группой, - их неповторяемость. Например, когда открыли гравитационные волны, их засекали лаборатории по всему миру, тем самым подтверждая полученные другими группами данные. В случае с DAMA дело обстоит иначе - больше никто в мире не может похвастаться наличием таких же результатов! Конечно, есть возможность того, что у этой группы более мощные детекторы или свои методы, но такая уникальность эксперимента вызывает у некоторых исследователей сомнения в его достоверности.

"Пока нельзя точно сказать, к чему относятся данные, собранные в лаборатории Гран-Сассо. В любом случае группа из Италии предоставила положительный результат, а не отрицание чего-либо, что уже сенсация. Теперь найденным сигналам необходимо искать объяснение. И это прекрасный стимул к развитию самых разных теорий, в том числе посвященных созданию модели скрытой массы. Но даже если ученый пытается объяснить, почему полученные данные никоим образом не относятся к темной материи, это все равно может стать новым шагом в понимании Природы. В любом случае результат есть и надо продолжать работу. Но полностью согласиться, что темная материя найдена, лично я на данный момент не могу", - комментирует Константин Белоцкий, ведущий научный сотрудник Кафедры физики элементарных частиц НИЯУ "МИФИ".

Возможно, будет полезно почитать: