|
Призраки, преследующие нас в темной материи
|
|
|
|
Кьяран О'Хара рисует символы цветными маркерами на своей доске, как будто пытается раскрыть преступление — или, возможно, планирует его. Он скачет по краям доски, постепенно заполняя ее острыми углами и закручивающимися буквами. Я наблюдаю за ним, и когда он чувствует, что я теряю нить, он делает паузу, давая моему мозгу возможность наверстать упущенное. Кьяран говорит с легким для понимания британским акцентом, но язык на доске с таким же успехом может быть иероглифическим.
|
|
|
|
На доске Кьярана изображено не преступление, а тайна, выраженная языком физики. Проще говоря, тайна заключается в следующем: все, что мы можем видеть — нашими глазами или в сложные телескопы, — составляет лишь около 5% материи в нашей Вселенной. Существует нечто невидимое, что, по-видимому, связывает воедино ткань пространства-времени. Мы не знаем, что это такое, но мы знаем, что оно существует, благодаря силе, которую оно оказывает на объекты, которые мы можем видеть, такие как гигантские галактики. Это "нечто" - фантомное присутствие, которое затрагивает нашу реальность.
|
|
|
|
Ученые называют это темной материей.
|
|
|
|
Поиск фантомов
|
|
|
|
"У нас есть прекрасная модель физики элементарных частиц, но в основе ее лежит темная материя, которая, как мы знаем, должна существовать, но на самом деле не имеет никакого объяснения, почему она там находится", — говорит Кьяран.
|
|
|
|
|
|
|
Около 2 часов Кьяран рассказывает мне о специфике научных поисков чего-то неуловимого. Он подробно описывает возможные проявления темной материи — что-то похожее на поле, похожее на магнетизм, или что-то более экзотическое, даже непостижимое, например, крошечные черные дыры.
|
|
|
|
Одна из ведущих теорий предполагает, что темная материя может быть гипотетической частицей, такой как WIMP — слабо взаимодействующая массивная частица.
|
|
|
|
Возможно, мы сможем найти эти неуловимые "возможно" частицы с помощью специализированных детекторов, расположенных глубоко под землей по всему миру. Один из них, известный как LUX-ZEPLIN (LZ), был обнаружен учеными в конце туннеля в старом золотом руднике в Лиде, Южная Дакота. Другие находятся под могучими горами в Италии, Южной Корее и Китае.
|
|
|
|
Эти детекторы работают с предельным терпением. Цилиндрические камеры, заполненные жидким ксеноном, расположены глубоко под поверхностью Земли, где они защищены от космических помех горной породой, расположенной над ними. В полной темноте и экстремальном холоде субатомные частицы, из которых состоит каждый атом ксенона в детекторе, находятся в постоянном ожидании. Если частица — или что—то еще - сталкивается с такой частицей, она испускает вспышку света. Этот свет - это мерцание, на которое настроены детекторы.
|
|
|
|
После более чем 20 лет наблюдений с помощью детекторов по всему миру ни один из них окончательно не обнаружил то, что мы называем темной материей. Хотя эти отрицательные результаты кажутся разочаровывающими, они чрезвычайно важны. Они помогают понять, чем темная материя не является, и мы можем приблизиться к пониманию того, чем она является.
|
|
|
|
Хотя эти детекторы прекрасно настроены для улавливания удивительно слабых сигналов, которые мы ожидаем увидеть от темной материи, и со временем они становятся все более чувствительными, они сталкиваются с новой проблемой: в нашей Вселенной есть и другие призраки, и они могут нам помешать.
|
|
|
|
Глубоко под землей бродят призраки.
|
|
|
|
Все мы одержимы призраками.
|
|
|
|
Пока вы читаете это, призрачные частицы бесконечно кружат вокруг атомов вашего тела, как лыжники на скоростном спуске. Их триллионы, все сразу. Некоторые из них простреливают череп и выходят из подошв ног, другие проходят через грудную клетку или через все внутренности и мышцы, свисающие с костей. Они не задерживаются надолго. Они проходят сквозь вас, не разрушая и не причиняя вреда.
|
|
|
|
Это дружелюбные призраки — субатомные частицы, почти не имеющие массы, которые несутся по нашей Вселенной со скоростью, близкой к скорости света, останавливаясь совсем ненадолго.
|
|
|
|
Мы дали частицам—призракам название - нейтрино. Несмотря на то, что они неуловимы, ученые создали не только оригинальные устройства для обнаружения темной материи, но и устройства, способные улавливать нейтрино.
|
|
|
|
Как и детекторы темной материи, эти устройства скрыты от глаз. Некоторые из них покоятся под километровым слоем антарктического льда. Другие погребены под высокими японскими горами или привязаны ко дну Средиземного моря.
|
|
|
|
В отличие от темной материи, ученые обнаружили нейтрино. Мы знаем, откуда они берутся — из сердца нашего Солнца, когда космические лучи попадают в нашу атмосферу, во время взрыва в конце жизни звезды или из искусственных источников, таких как ядерные реакторы.
|
|
|
|
В 1956 году исследователи, работающие над проектом "Полтергейст", обнаружили нейтрино в Саванна-Ривер в Соединенных Штатах. Это было первое наблюдение человечеством нейтрино, и один из ученых, стоявших за этим, получил Нобелевскую премию по физике примерно 40 лет спустя.
|
|
|
|
Нейтрино давно интересуют физиков. Очень давно даже существовала идея о том, что массивные нейтрино могут быть одной из форм темной материи.
|
|
|
|
"Когда люди задумывались о том, что такое темная материя, нейтрино были одним из кандидатов, потому что многие свойства, которыми обладают нейтрино, могут быть очень похожи на свойства частиц темной материи", - говорит Тереза Фрут, специалист по астрочастицам из Сиднейского университета, которая в настоящее время работает над экспериментом LZ dark matter в Южной Каролине. Дакота.
|
|
|
|
"Но нейтрино не обладают достаточной массой. Теперь мы знаем, что они на самом деле легкие, поэтому они не могут образовывать темную материю".
|
|
|
|
Все это означает, что, когда мы будем искать темную материю с помощью подземных детекторов, призрачные частицы будут выглядеть для детекторов так же, как выглядела бы темная материя.
|
|
|
|
"Это фон, который в основном выглядит как сигнал темной материи", - говорит Кьяран. Призрачные частицы оставляют на них отпечаток, точно так же, как призрак викторианской эпохи может скрываться на фотографии в оттенках сепии и скрывать лицо.
|
|
|
|
Этот фон получил название нейтринного тумана. И мы недавно добрались до него.
|
|
Кому ты позвонишь?
|
|
|
|
В 2024 году два крупнейших в мире детектора темной материи, PandaX-4T в подземной лаборатории Цзиньпина в Китае и XENONnT в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, впервые увидели туман.
|
|
|
|
Детекторы, наполненные тоннами жидкого ксенона, зафиксировали множество случаев, когда солнечное нейтрино — особый тип, известный как солнечное нейтрино бора-8, — отскакивало от ядра атома.
|
|
|
|
"Это первое обнаружение какого-либо нейтринного фона в этих экспериментах", - говорит Кьяран.
|
|
|
|
Эксперимент PandaX-4T зафиксировал 75 нейтринных событий, в то время как XENONnT зафиксировал 11. Сигналы были обнаружены с высоким, но не экстремально высоким уровнем статистической значимости, чуть менее 3 сигмы для обоих случаев. Вероятность того, что это было обнаружено случайно, составляет около 0,3%. Обычно физики придерживаются значения 5 сигма. При таком стандарте вероятность того, что вы обнаружите это случайно, исчезающе мала — всего 0,00006%.
|
|
|
|
Тем не менее, "вероятность того, что оба результата являются случайными, невелика", - говорит Фэй Гао, физик из Университета Цинхуа, который работает в итальянской коллаборации XENONnT. "Он обладает всеми характеристиками, которые можно ожидать от [нейтринного] сигнала".
|
|
|
|
В декабре 2025 года детектор в Южной Дакоте, Южная Каролина, также впервые обнаружил солнечные нейтрино со значением 4,5 сигма. Это ставит наши крупнейшие обсерватории по изучению темной материи в тупик. Это проблема?
|
|
|
|
"Это начинает становиться проблемой", - говорит Роберт Джеймс, физик по темной материи из Мельбурнского университета и член команды LZ.
|
|
|
|
Точно так же, как при движении в тумане ночью, эти нейтринные явления затрудняют четкое распознавание сигналов. Этот туман невозможно пробить — он всегда будет присутствовать как часть "непреодолимого фона" в наших экспериментах.
|
|
|
|
К счастью, мы находимся только на границе видимости и только для этого конкретного типа потенциальных частиц темной материи. Даже если темная материя - слабак, у ученых все еще есть гораздо больше возможностей для экспериментов.
|
|
|
|
"В остальном это не ограничивает наши поиски темной материи", - говорит Тереза. Пройдет некоторое время, прежде чем ученые полностью погрузятся в это, а детекторы следующего поколения будут достаточно большими и будут работать достаточно долго, чтобы они, вероятно, начали регистрировать воздействие нейтрино, которые проникают в нашу атмосферу со всей Вселенной, а не только от Солнца. Это будет еще более сложной задачей.
|
|
|
|
Это также открывает новые возможности. Теперь, когда детекторы темной материи могут обнаруживать нейтрино, исходящие из ядра Солнца, у ученых есть возможность изучать термоядерные реакции, происходящие внутри.
|
|
|
|
"Вот почему так интересно, что теперь мы создали эти детекторы, которые обладают такой мощной способностью к распознаванию, низким уровнем фона и чувствительностью, что мы можем видеть другие объекты и использовать их в других научных целях", - говорит Тереза.
|
|
Истории о привидениях
|
|
|
|
Прохладным весенним днем 2022 года я посетил подземную физическую лабораторию Ставелла (SUPL) в Ставелле, Западная Виктория. Детектор в SUPL немного отличается от детекторов с жидким ксеноном в Южной Дакоте, Китае или Италии, и ему не придется беспокоиться о нейтринном тумане. Вместо этого в австралийском эксперименте с темной материей будет предпринята попытка повторить результаты, полученные итальянскими учеными около 20 лет назад. Эксперимент, известный как SABRE South, планируется начать позднее в этом году.
|
|
|
|
Надев оранжевую каску, жилет и ботинки до колен и пройдя проверку на безопасность, я запрыгнул на заднее сиденье Toyota Hilux, втиснувшись между исследователями и персоналом. Медленный спуск по извилистым темным коридорам закончился у входа, где в скалу вделана металлическая рама с простой табличкой формата А4. Вот оно: подземная лаборатория Австралии.
|
|
|
|
Во время моего визита это было гигантское пустое пространство. Вдоль стен камеры тянулись оранжевые провода. Здесь были огнетушители. Мой гид, физик элементарных частиц из Мельбурнского университета Элизабетта Барберио, указывает на места на полу, где в ближайшие годы будет проводиться эксперимент.
|
|
|
|
Но на улице один из работников шахты рассказал мне историю, и я не уверен, как к ней отнестись. Это почти миф. В километре под поверхностью один из его коллег трудился в условиях низкой освещенности. Он услышал шум, похожий на шаги, и обернулся, осветив фонарем пустое пространство. Там ничего не было. Затем послышались новые шаги.
|
|
|
|
Он снова обернулся, и свет фонаря осветил лужи воды на земле. Безмятежный. Там ничего не было. Именно эта история не выходит у меня из головы, когда мы в тот день выходим из туннеля обратно на свет. Именно эту историю я не могу выбросить из головы 4 года спустя.
|
|
|
|
Нас всех преследуют призраки.
|
|
|
|
Мы становимся одержимыми вещами, которые не можем увидеть и объяснить, и изобретаем хитроумные трюки и техники в попытке раскрыть их природу. У нас нет никаких доказательств того, что призраки остаются на Земле еще долго после смерти своих физических тел. Я говорю не об этом. Но когда начинаешь погружаться в пучину физики элементарных частиц, сходство становится очевидным.
|
|
|
|
Именно в этой области наука процветает. Поиск темной материи - это серия постоянных исключений. Исследуя то, чем темная материя не является, мы приближаемся к тому, чем она является.
|
|
|
|
Я часто задавался вопросом, что думают об этом ученые — об этой погоне за невидимым, неизведанным. Они бродят по темной пещере или заблудились в густом тумане, ищут следы в лужах воды, освещают фарами трещины в скале. Призраков трудно поймать. В этом-то и суть.
|
|
|
|
"Только совершая трудные поступки, можно пожинать плоды", - говорит Роберт. "Даже если все, что вы делаете, это что-то исключаете, это все равно помогает понять, что вы собираетесь создавать дальше, что вы собираетесь попробовать в следующий раз".
|
|
|
|
Источник
|
