Российский физик рассказал о способах обнаружения тёмной материи

Науке пока неизвестны состав и структура тёмной материи, из которой, предположительно, на 25% состоит наша Вселенная. На её существование учёным указывают экспериментальные данные — например, скорость движения звёзд в галактиках. Считается, что тёмная материя сыграла важную роль во время рождения Вселенной, положив начало формированию звёзд. Об этом в интервью RT рассказал научный сотрудник лаборатории «3–3» ИЯФ СО РАН и лаборатории космологии и физики элементарных частиц Новосибирского государственного университета Владислав Олейников в рамках мероприятия, проходившего в Десятилетие науки и технологий при поддержке нацпроекта «Наука и университеты». Учёный сообщил о работе по созданию детектора тёмной материи, которая ведётся в ИЯФ: физики надеются засечь её присутствие по энергии, которая выделится при столкновении тёмных частиц с ядрами аргона.

— Ваш научный коллектив предложил новый способ обнаружения частиц тёмной материи — загадочного вещества, из которого, предположительно, на 25% состоит Вселенная, но его пока никто не может зафиксировать. Расскажите подробнее, что такое тёмная материя, согласно современным научным представлениям.

— Пока никто точно не знает, что такое тёмная материя, поскольку она не была зарегистрирована напрямую. Есть лишь ряд экспериментальных данных, которые косвенно говорят о том, что тёмная материя действительно присутствует во Вселенной.

Главное доказательство — тот факт, что звëзды в галактиках и галактики в скоплениях галактик движутся со значительно более высокими скоростями, чем можно было бы ожидать, исходя из распределения наблюдаемой массы. Таким образом, имеется некая скрытая пока от нас материя.

Подтверждает существование тёмной материи и такой феномен, как гравитационное линзирование. Это явление, при котором фотоны (лучи света) отклоняются от своего движения по прямой при прохождении рядом с массивным космическим телом. В основе линзирования лежит эффект искривления пространства вблизи массивного тела. Наблюдая за объектами, находящимися на большом удалении от Земли, учёные заметили, что происходит искажение направления распространения фотонов, причём это искажение нельзя объяснить только лишь наблюдаемой массой «обычной» материи. Искажение возникает под влиянием некой скрытой массы объектов, то есть тёмной материи.

Что касается природы тёмной материи, то условно можно выделить два её типа: барионная, состоящая из обычного вещества, но невидимая по каким-то причинам, и небарионная, состоящая из не обнаруженных пока частиц. Возможный кандидат на роль барионной тёмной материи — первичные чёрные дыры. Такие чёрные дыры образовывались не за счёт гравитационного коллапса крупной звезды, как обычные чёрные дыры, а из сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной. Наши коллеги из Новосибирского государственного университета активно занимаются этим направлением.

— Какие технологии сегодня применяются учёными для поиска тёмной материи?

— Поиск частиц тёмной материи можно вести с помощью коллайдеров — устройств, где ускоряются и сталкиваются пучки заряженных частиц, таких как электроны, протоны и ионы. Учёные предполагают, что при столкновении подобных частиц может родиться частица тёмной материи. Но непосредственно зарегистрировать частицы неизвестного вещества вряд ли получится, так как они должны иметь крайне низкую вероятность регистрации системами детектора.

Однако при помощи детектора можно проанализировать все другие частицы, появившиеся при столкновении, и определить, что объём детектора покинула какая-то частица, которая, предположительно, может быть связана с частицами тёмной материи. Однако не факт, что частицы, рождённые в коллайдерах, — это те самые, которые отвечают за скрытую массу во Вселенной.

Существуют и методы регистрации тёмной материи с помощью регистрации излучения от массивных объектов. Учёным известно, что там, где наблюдаются большие скопления видимого вещества, тёмная материя тоже имеет более высокую плотность. Ожидается, что при достаточной плотности частицы тёмной материи могут столкнуться и аннигилировать, излучая при этом частицы обычной материи, которая уже может быть зарегистрирована. Однако этот метод не позволяет точно определить, что излучение исходит именно от тёмной материи.

— Какой подход использует ваша научная группа? Если мы верно понимаем, то детектор будет ориентирован на поиск WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) — слабовзаимодействующих массивных частиц.

— Да, мы выбрали для наблюдений гипотетическую слабовзаимодействующую массивную частицу WIMP (вимп), которая является кандидатом на роль небарионной тёмной материи.

Согласно научным представлениям, Вселенная состоит из элементарных частиц двух типов: переносчиков взаимодействий — бозонов — и «кирпичиков» материи — фермионов. Существует также теория суперсимметрии — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы. В данной теории, образно говоря, взаимодействие становится материей, а материя — взаимодействием. Причём из теории суперсимметрии следует существование новых частиц — аналогов уже известных элементарных частиц. Одна из таких гипотетических частиц — нейтралино, которая может являться вимпом.

— Расскажите, пожалуйста, подробнее об устройстве детектора.

— Считается, что вимпы взаимодействуют с атомным ядром когерентным образом — то есть рассеяние идёт не на отдельном протоне или нейтроне, а на всём ядре сразу. Этот эффект уже зарегистрирован для нейтрино, и, вероятно, вимпы будут рассеиваться таким же образом. Вероятность когерентного рассеяния выше, если частицы тёмной материи будут сталкиваться с тяжёлыми элементами, ядра которых содержат много протонов и нейтронов. Но по мере роста массы ядра снижается передача энергии такого взаимодействия, поэтому рассеяние будет сложно зарегистрировать. Поэтому нужен компромиссный вариант.

Сегодня самые массивные и чувствительные в мире детекторы для поиска вимпов основаны на ксеноне или аргоне. Наша научная группа работает над детектором на основе аргона, поскольку у него выше энергия передачи от вимпов, чем у ксенона, а также такой детектор проще масштабируется до больших масс рабочего вещества.

Предполагается, что частица тёмной материи при пролёте через вещество детектора с очень малой вероятностью провзаимодействует с атомным ядром и передаст ему часть энергии. Эту энергию мы сможем зарегистрировать, например, в виде светового излучения. В детекторе на основе аргона излучение идёт преимущественно в ультрафиолете, и для его регистрации необходимо использовать переизлучатели, сдвигающие спектр в видимую область. Но применение переизлучателей сопряжено с рядом технических сложностей: эти вещества могут растворяться в аргоне или отслаиваться от стенок детектора. Особенно актуальны эти проблемы станут при создании очень больших детекторов.

Исследования, проведённые нашим коллективом, показывают, что возможно создание детекторов на основе аргона, которые будут работать без переизлучателей, хотя и с меньшей чувствительностью. Идея заключается в регистрации излучения в видимом и инфракрасном диапазоне. Даже если на детекторе с такой технологией не получится обнаружить вимпы, то он всё равно сослужит хорошую службу науке: на нём можно будет регистрировать другие события с большим энерговыделением, в том числе достаточно редкие. Например, такие детекторы можно будет использовать для регистрации солнечных нейтрино.

— Вы занимаетесь поиском WIMP, но это не единственные кандидаты на роль частиц тёмной материи — также к ним причисляют гипотетические частицы аксионы. Тёмная материя состоит из разных частиц, как и барионная?

— Никто точно не знает состава тёмной материи. Вполне возможно, что эта субстанция неоднородна и в ней присутствуют различные частицы.

Что касается аксионов, метод их регистрации основан на том, что в условиях магнитного поля аксионы могут превращаться в фотоны, которые уже можно зарегистрировать. Проводились разные эксперименты, но, к сожалению, зарегистрировать аксионы пока не удалось.

— Какую роль тёмная материя играла при рождении Вселенной и играет сейчас?

— На ранних этапах формирования Вселенной к тёмной материи притягивалась барионная, именно это послужило началом формирования звёзд и галактик.

— Как распределена тёмная материя во Вселенной согласно современным научным представлениям?

— Как правило, плотность тёмной материи тем выше, чем выше плотность барионной материи. Например, плотность тёмной материи значительно выше в центрах галактик, чем в среднем по Вселенной. В то же время наблюдаются галактики, где почти отсутствует тёмная материя или, наоборот, почти полностью состоящие из неё. При этом считается, что тёмная энергия распределена достаточно равномерно.

— Помимо тёмной материи, есть также тёмная энергия. Как они связаны и что это вообще такое?

— О тёмной энергии науке известно ещё меньше, чем о тёмной материи. Тёмная энергия — это, по сути, величина, которая была введена Эйнштейном в своё время для объяснения стационарной модели Вселенной. Необходимость в этой переменной, казалось бы, отпала, когда Александр Фридман представил модель нестационарной Вселенной, и позже было экспериментально установлено, что Вселенная расширяется. Однако впоследствии выяснилось, что Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением — это означает, что всё же существует некая дополнительная сила, о свойствах и природе которой мы пока ничего не знаем.

Пока что есть только гипотезы, объясняющие, что это такое: например, что это некая энергия вакуума, отрицательное давление, которое и приводит к расширению Вселенной. Здесь можно вспомнить о существовании эффекта Казимира — экспериментально подтверждённого эффекта, где незаряженные тела притягиваются друг к другу в вакууме в результате энергетических колебаний физического вакуума. Хотя этот эффект не связан с тёмной энергией и объясняется в рамках современных научных теорий, он показывает, что вакуум не является абсолютной пустотой.

Думаю, что, когда мы лучше узнаем природу тёмной материи, мы многое узнаем и о тёмной энергии.

— Что даст науке и человечеству в целом открытие тёмной материи? Может ли у этого открытия быть какое-то практическое применение — например, в космонавтике?

— Чтобы ответить на этот вопрос, предлагаю обратиться к истории становления современной науки в целом. Первые наблюдения за природными явлениями делали ещё в Древней Греции. Потом был период «Тёмных веков», когда развитие науки в Европе застопорилось, но затем появились такие учёные, как Галилей, Браге, Кеплер... На основе их работ свои открытия сделали Ньютон, Эйнштейн... Сейчас мы пожинаем плоды научных исследований, основы которых были заложены сотни и тысячи лет назад.

Возвращаясь к вопросу о тёмной материи, могу сказать, что путь тоже будет долгим — сначала будут развиваться технологии для её регистрации, становиться всё более точными. Потом, когда мы экспериментально зарегистрируем тёмную материю, начнётся её детальное изучение. Вряд ли мы сможем сразу напрямую как-то использовать эти знания, но мы приблизимся к пониманию тёмной материи, а потом и тёмной энергии. И не исключено, что человечество когда-то действительно сможет найти ей практическое применение.