19.11.2012. - Подземные лаборатории по изучению темной материи

Подземные лаборатории по изучению темной материи

18.11.2012 23:43

В Национальной лаборатории Гран Сассо, примерно в миле от итальянского горного хребта Гран Сассо, физики пытаются изолировать частицы, надеясь разгадать тайну возникновения Вселенной.

Следуя на запад, вдоль итальянской автострады 24, вы попадете на горный хребет Гран-Сассо в 80 милях от Рима. Это один из самых впечатляющих национальных парков Италии, на его территории находится самая высокая точка Апеннин - 9554 футовая (2912 м) гора Корно-Гранде. Здесь водятся медведи, дикие кошки, волки и серны, каждое лето тысячи туристов проводят отпуск в этом нереально красивом месте.

Но кроме впечатляющей красоты горы скрывают интригующую тайну, к которой может прикоснуться только тот, кто проезжая по A24, спустится в десятикилометровый туннель, построенный под Гран-Сассо. Где-то примерно посредине главной дороги в нем ответвляется второй туннель. Если поедете туда, дорога приведет вас к четырехметровой, крепкой двери из нержавеющей стали, которая охраняется группой солдат. Вы - на пороге Национальной лаборатории Гран-Сассо, подземного хранилища, где физики исследуют структуру вещества и состав Вселенной. Лабиринты туннелей, охранники в форме, сверкающее новейшее оборудование и море неразгаданных тайн - все это самая новая и наиболее зрелищная лаборатория в мире - Гран-Сассо.

Научно-исследовательский центр был построен в 1990-х годах, во время строительства туннеля A24 Гран-Сассо. «Просто создайте несколько ответвлений от главной дороги, десятикилометровый дополнительный туннель и вы получите самый уникальный объект в мире», - предложили ученые итальянскому правительству. «Нашу идею активно поддержали», - рассказывал профессор Кристиан Галбиати, один из самых ценных работников лаборатории. «Было пробурено десять километров туннеля. Сейчас над нами 1400 метров цельной скалы, и именно этот факт делает это место таким уникальным».

Верхние слои атмосферы Земли постоянно находятся под воздействием космических лучей, которые создают каскады частиц - так называемых мюонов, которые в громадных количествах опадают на поверхность планеты. Это фоновое излучение безвредно для человека, но оно обладает способностью вызывать полный хаос в исследованиях элементарных частиц, создавая тонкие измерения субатомных частиц. Именно поэтому ученые инициировали строительство подземной лаборатории, которую защищают 1,4 км горных пород. (Гран-Сассо переводится с итальянского языка, как «большой камень»). «Эта порода блокирует почти все мюоны, попадающие на поверхность», - добавляет Галбиати - «это делает эту лабораторию одной из самых наименее радиоактивных мест на Земле».

Мощный защитный купол пород Гран-Сассо интригует и заставляет задуматься - почему для ученых так важна лаборатория, на которую невозможно осуществлять радиоактивное воздействие? Ответ на этот вопрос достаточно прост. Здесь ученые пытаются искусственно создать и изучить материал, известный как темная материя, которая, по мнению ученых, пронизывает Вселенную в виде слабо взаимодействующих массивных частиц. Невероятно, но сегодня ученые считают, что около 85% массы Вселенной составляют именно они. Эти частицы проникают в пространство вокруг нас, пробираясь сквозь обычные вещества, но редко взаимодействуя с ними.

На сегодняшний день никто не обнаружил этой материи, хотя попытки найти их все настойчивее. За несколько недель до первых научных операций будет готов масштабный американо-европейский проект «DarkSide-50». Его строительство в месте, защищенном практически от всех внешних воздействий, дает ученым надежду на создание в искусственных условиях темной материи и возможность ее детального изучения.

Исследователи утверждают, что причиной возникновения темной материи является чрезвычайно быстрое движение галактик, что есть одними из крупнейших составляющих Вселенной. «Это кажется маловероятным, но это правда», - утверждает профессор Джерри Гилмор из Кембриджского института астрономии. «Когда звезда вращается с огромной скоростью, вокруг галактики создается очень мощное гравитационное поле, что приостанавливает ее движение в космосе, ведь мощные гравитационные поля могут быть созданы только телами с огромными массами».

Вооружившись этими знаниями, астрономы еще раньше хотели вычислить массу галактик, используя два способа. Но, к сожалению, прошлый их эксперимент провалился, ведь результаты не были одинаковыми. Один метод, основанный на знаниях о движении и скорости звезд, определил массу в 10 раз большую, чем другой.

Изначально ученые предполагали, что они не приняли во внимание существование иных звезд, которые были слишком маленькими или тусклыми, чтобы увидеть их с помощью обычных телескопов. Их масса компенсирует недосчитанную в первом опыте массу Вселенной или темную материю, как решили назвать ее ученые.

Развитие инфракрасной астрономии в 80-х годах положил окончательный конец этим теориям расчета массы частей Вселенной. «Инфракрасные детекторы, установленные на наших телескопах, позволили нам наблюдать за всеми звездами, а не только за теми, излучение которых мы могли увидеть», - говорит Гилмор. «Это означало, что мы смогли впервые увидеть даже совсем тусклые звезды. Но когда мы начали учитывать и их, сразу стало ясно, что нам не хватает даже этих данных, чтобы объяснить свойства темной материи».

Другие астрономы, которые пытались хоть как-то объяснить темную материю, говорят, что раньше не были учтены нейтронные звезды или коричневые карлики (звезды, которым не удалось вспыхнуть из-за недостаточного количества водорода в их составе). Поэтому ученые решили, что масса Вселенной должна быть составлена также из частиц, мчащихся сквозь пространство с невероятной скоростью и образующих невидимое тело вокруг галактик, значительно придавая им массы. Они, как и мюоны, постоянно пронизывают нас и одновременно являются практически неуловимыми.

«Мы откинули много теорий», - говорит Чамкаур Чаг, ведущий научный проекта DarkSide-50. «Осталась лишь наиболее вероятная гипотеза о субатомныех частицах, совсем не похожих на те, что исследовало человечество до этого. Они должны быть достаточно массивными. Их наличие докажет, что отсутствие какой-либо материи во Вселенной невозможно, но при этом такие частицы имеют способность практически не взаимодействовать с обычной материей».

Стремление разгадать тайну Вселенной заставило ученых продолжать свои исследования глубоко под землей - в пещерах, шахтах, туннелях и других подземных объектах, где толстые слои породы отфильтровывают те страшные ливни мюонов, которые выводят из строя все детекторы. Поэтому была создана лаборатория Гран-Сассо, наряду с другими научно-исследовательскими центрами, построенными в соляной шахте Боулби, в Кливленде и в золотоносной шахте в Дэвис Каверн в Южной Дакоте.

«То, что мы смогли избавиться от влияния космических лучей является огромным достижением, но у нас все еще остается масса других проблем», - утверждает профессор Фрэнк Келепрайс из Принстонского университета, который работает над вопросом, что исследуется в Гран-Сассо. «Конечно, нам удалось значительно уменьшить влияние мюонов на достоверность наших результатов, но все же они до сих пор проникают сюда, хотя это, конечно, примерно одна миллионная от того, что находятся на поверхности Земли. Кроме того, здесь, под землей, мы имеем дело с газом радоном, который образуется в результате распада урана и тория в горных породах вокруг нас. Радон является радиоактивным, что также создает нам некоторые препятствия».

Радон является особой проблемой, ведь он есть везде - во всем оборудовании, которое используются в экспериментах. Детекторы начинают действовать через присутствие этих радиоактивных частиц, предоставляя ложные сигналы, которые полностью искажают результаты исследований. Поэтому инженеры прикладывают все усилия, чтобы убедиться, что воздух достаточно очищается от радона при проведении экспериментов.

Что касается избытка мюонов, то ученые нашли выход из этой проблемы, размещая детекторы в огромные чаны с очень чистой водой. Проект DarkSide-50, проводится в помещении, объемом в несколько тысяч кубических футов. Внутри это огромная сфера, которая содержит сцинтиллятор, сделанный из материала, который может отфильтровать все лишние частицы. «По сути, мы пытаемся провести опыт без какого-либо фона в этом помещении», - говорит Келепрайс. «Мы ставим одно устройство внутри другого, как набор русских матрешек, чтобы избавиться от всех возможных ложных сигналов и, таким образом, сделать эксперимент по выявлению темной материи достаточно достоверным».

Вышеупомянутый прибор действительно имеет принцип строения русской матрешки, но состоит исключительно из нержавеющей стали, включает в себя 150 кг газа аргона. Это сердце DarkSide-50. «Внутри аргон находится, в основном, в жидкой форме, и небольшое количество вещества - в виде пары», - говорит Андреа Анне, один из менеджеров Darkside-50. «Мюон, проходящий через эти две формы аргона, будет вспыхивать. Таким образом, мы сразу сможем с точностью измерить погрешность опыта».

«Мы строим все более и более сложные машины, чтобы изобрести темную материю. Я надеюсь, мы сможем научиться четко определять присутствие мюонов в течение нескольких лет».

Однако вполне возможно, что ученые так и не смогут обнаружить частицы темной материи, которые слишком слабо взаимодействуют или вообще не взаимодействуют с другими материями. «Мы надеемся, что они будут как-то взаимодействовать с телами, ведь только в этом случае мы сможем обнаружить и изучить их, но в настоящее время у нас нет никаких доказательств их существования. Если они не будут ни с чем взаимодействовать, то мы будем иметь возможность только изучить их путем определения гравитационных эффектов, которые они совершают на окружающую среду.

В этом случае темная материя будет больше похожа на привидение материи, эфирный материал, частицы которого проходят сквозь твердые объекты без заметного эффекта. Тем не менее, ученые полны решимости и уверенности и утверждают, что выявление темной материи есть важным научным результатом. Ведь «доказательство ее существования очень простое. Не существовало бы ни Земли, ни людей, если бы не было темной материи. Без значительной массы этих частиц галактики были бы не в состоянии сформировать Вселенную. Гигантские газовые облака, образовавшиеся после Большого взрыва, не начали бы вращаться, а просто разлетелись бы, и не были бы созданы в свою очередь ни галактики, ни, тем более, звезды, планеты или любые формы. Именно поэтому мы должны приложить все средства и усилия, чтобы изучить эти частицы».

http://uapress.info/technologii/podzemnie-laboratorii-po-izucheniiu-temnoy-materii