"Я притягиваю, следовательно, существую". Так, перефразируя Декарта, могла бы сказать о себе тёмная материя.
Звёздам, межзвёздному и межгалактическому газу и другим объектам – не хватает массы для того, чтобы создать ту картину космоса, которую мы видим. Вращение галактик вокруг своей оси, поведение групп и скоплений галактик и другие признаки указывают на то, что во Вселенной присутствует загадочная субстанция, гравитация которой действует на обычное вещество. Тщательные наблюдения за этим воздействием позволяют даже создавать карты её распределения.
При этом мы не видим тёмную материю в телескопы никаких диапазонов, то есть она не излучает и не поглощает электромагнитные волны (по крайней мере, настолько сильно, чтобы мы это заметили). Правильнее было бы назвать её "прозрачной материей".
По подсчётам космологов, на тёмную материю приходится ни много ни мало 27% всей энергии Вселенной. Что же она представляет собой? Физики полагают, что тёмная материя состоит из ещё не открытого типа элементарных частиц.
Но исследователи не оставляют надежды обнаружить их в эксперименте. В конце концов, не может быть частиц, которые вообще никогда и ни с чем не взаимодействуют. Детектору LUX не удалось зафиксировать загадочные частицы, пока не может похвастаться открытием и запущенный в 2015 году XENON1T .
Эти неудачи побудили некоторых учёных пересмотреть свои взгляды на природу тёмной материи (любому эксперименту предшествуют теоретические выкладки, которые позволяют предположить, где и как ловить "новичков"). Например, есть гипотеза, что частицы тёмной материи представляют неоткрытый пока тип нейтрино.
Команда учёных во главе с Хамфри Марисом (Humphrey Maris) предлагает свою версию решения этой загадки.
Как отмечают авторы, предыдущие эксперименты по поиску тёмной материи ориентировались на частицы массой, превышающей массу протона от 10 до 10 тысяч раз. У учёных есть веские основания "делать ставки" на этот диапазон масс. Именно на него указывают многие глубокие теоретические идеи, например, гипотеза суперсимметрии.
Однако нельзя исключить, что частицы тёмной материи на самом деле гораздо легче. В этом случае существующие инструменты просто не в состоянии их обнаружить.
Команда Мариса разработала концепцию нового детектора, способного, по расчётам авторов, фиксировать частицы, которые легче протона в сотни или даже тысячи раз.
"Сердце" устройства – это ванна со сверхтекучим жидким гелием. Схема эксперимента такова. Большинство частиц тёмной материи проходят сквозь детектор, не оказывая на него никакого воздействия. Но изредка искомая частица проникает в ядро атома гелия и генерирует ядерную реакцию. При этом выделяется энергия, и один или несколько атомов гелия покидают поверхность жидкости и улетучиваются. Вот эти "сбежавшие" атомы и предлагается ловить.
В предыдущих устройствах для поиска тёмной материи использовались похожие схемы. Новшество авторов в том, что вместо ксенона с его тяжёлыми атомами используется лёгкий сверхтекучий гелий. Это и позволяет фиксировать частицы гораздо меньшей массы, чем в прежних экспериментах.
Главная техническая проблема здесь – научиться фиксировать выход из жидкости отдельного атома. Он имеет ничтожную энергию в несколько тысячных долей электронвольта. Обычные детекторы поймать такой "выброс" не в состоянии.
Авторы предлагают новую схему. У поверхности жидкого гелия создаётся сеть электродов, на которые подаётся напряжение в десять тысяч вольт. Положительно заряженный электрод "крадёт" электрон у атома гелия, превращая его в ион. А ион, будучи заряженной частицей, в электрическом поле ускоряется. В итоге он быстро приобретёт энергию, которая позволит без проблем зафиксировать его обычными методами.
Научная статья с описанием детектора нового типа опубликована 1 ноября 2017 года в журнале Physical Review Letters.
Между прочим, мы писали об эксперименте на МКС, в котором тёмная материя, возможно, уже обнаружена. По крайней мере, именно так некоторые исследователи трактуют зафиксированный избыток позитронов в космических лучах.
