Когда главный инженер проекта БАКа Лин Эванс в январе 2010 г. выступал на калифорнийской конференции по БАКу и скрытой
массе, завершил он свое выступление шутливой провокацией. Посетовав, что последние пару десятков лет «вы, теоретики, вслепую блуждали в темноте», он заявил: «Теперь я понимаю, зачем потратил 15 лет на строительство БАКа». Говоря все это, Лин, естественно, имел в виду дикую нехватку достоверных данных о высокоэнергетических процессах, от которой в предыдущие годы страдали все физики без исключения. При этом в его словах можно было усмотреть и намек на то, что сделанные на БАКе открытия, возможно, прольют свет на темную материю.
Между физикой элементарных частиц и космологией существует множество связей, но одно из самых интересных предположений гласит, что скрытая масса — это таинственное вещество — может возникать на энергиях, доступных для БАКа. Интересно,
что если существуют стабильные частицы с массой масштаба слабого взаимодействия, то количество энергии в таких частицах (родились они во времена молодости Вселенной и дожили до наших дней) примерно соответствовало бы тому, что ученые ожидают от скрытой массы. Результаты вычислений количества скрытой массы, оставшейся от изначально горячей — но остывающей — Вселенной, показывают, что дело, возможно, обстоит именно так. Это означает, что не только сама скрытая масса может обнаружиться у нас прямо под носом, но и указания на ее природу тоже находятся где-то совсем рядом. Если скрытая масса в самом деле состоит из частиц с массой масштаба слабого взаимодействия, то не исключено, что БАК не только позволит нам ответить на вопросы о физике этой частицы, но и даст указания на то, что находится в огромной Вселенной и как все началось; без этих вопросов космология немыслима.
рис. 78 Поиск скрытой массы идет в трех направлениях. Подземные детекторы пытаются непосредственно засечь столкновения частиц темной материи с ядрами-мишенями. Возможно, на БАКе удастся получить частицы скрытой массы, которые оставят след в его экспериментальных установках. А спутники и телескопы, может быть, засекут в космосе свидетельства аннигиляции частиц скрытой массы с образованием видимого вещества
Но эксперименты на БАКе — не единственный способ поиска скрытой массы. Факт состоит в том, что физика в настоящее время вступила в потенциально очень интересную эру новых данных, причем не только в области физики элементарных частиц, но и в области астрономии и космологии. В этой главе объясняется, как именно в ближайшее десятилетие будет идти поиск скрытой массы; речь пойдет о трех направлениях поиска. Сначала предстоит выяснить, почему самыми вероятными кандидатами на роль скрытой массы являются частицы с массой масштаба слабого взаимодействия; после этого надо подумать, как получить на БАКе эти частицы и опознать их, если эта гипотеза верна. Затем мы рассмотрим, как приборы, специально разработанные для поиска частиц темной материи, пытаются отследить их прибытие на Землю и зарегистрировать их слабые, но потенциально различимые взаимодействия. Наконец, мы рассмотрим способы, при помощи которых телескопы и детекторы на земле и в космосе ищут в небе следы аннигиляции частиц темной материи. Все три способа поиска скрытой массы показаны на рис. 78.
Прозрачное вещество
Нам известна плотность скрытой массы, известно, что она холодная (то есть движется медленно по отношению к скорости света), что взаимодействует в лучшем случае чрезвычайно слабо и наверняка не дает никакого значимого взаимодействия со светом. И это практически все, что мы знаем. Темная материя прозрачна. Мы не знаем ее массы, не знаем, вступает ли она в какие-то взаимодействия помимо гравитационных, не знаем, как она возникла. Нам известна ее средняя плотность: может быть, в объеме нашей Галактики на каждый кубический сантиметр приходится по одной массе протона, а может, компактные объекты с массой, соответствующей тысяче триллионов протонных масс, равномерно распределены по Вселенной — по одному на каждый кубический километр. Средняя плотность вещества в том и другом случае окажется одинаковой, да и вещества для инициации формирования структур хватит в любом случае.
Таким образом, мы знаем, что скрытая масса существует, но не имеем представления о ее природе. Это могли бы быть, к примеру, маленькие черные дыры или объекты из других измерений. Скорее всего, это просто новая элементарная частица, которая не вступает в обычные взаимодействия, характерные для частиц Стандартной модели: к примеру, стабильное нейтральное проявление новой физической теории масштаба слабого взаимодействия, которая, возможно, будет скоро открыта. Даже если дело обстоит именно так, нам все же хотелось бы знать, каковы свойства частицы, составляющей темную
материю: какова ее масса, как она взаимодействует и не является ли она частью некоего неизвестного пока класса частиц.
Одна из причин, по которым сегодня так популярна интерпретация скрытой массы как элементарной частицы, заключается в том, что в пользу этой гипотезы говорят уже упоминавшиеся факты — обилие скрытой массы во Вселенной и значительная доля приходящейся на нее энергии. Удивительно также, что для стабильной частицы с массой, примерно соответствующей масштабу слабого взаимодействия, который предстоит исследовать БАКу (опять же через формулу E = mc2) реликтовая плотность на сегодня, то есть доля энергии, которая должна была бы приходиться во Вселенной на эти частицы по расчету, примерно соответствует тому, что должно быть для темной материи.
Логика здесь примерно следующая. По мере развития Вселенной температура в ней падала. Тяжелые частицы, которых в горячей Вселенной было множество, в более поздней и более холодной Вселенной оказались сильно рассеяны, потому что при более низких температурах на их создание просто не хватает энергии. Как только температура упала в достаточной мере, тяжелые частицы постепенно аннигилировали с тяжелыми античастицами, так что исчезали и те и другие, а вот процесс рождения тех и других почти прекратился. Из-за аннигиляции по мере остывания Вселенной численная плотность тяжелых частиц падала очень быстро.
Разумеется, чтобы аннигилировать, частицы и античастицы должны сначала встретиться, но с уменьшением их числа и ростом рассеяния вероятность такой встречи тоже многократно уменьшилась. Вследствие этого частицы на поздней стадии эволюции Вселенной аннигилировали намного менее эффективно.
В результате на сегодняшний день во Вселенной могло остаться значительно больше стабильных частиц с массой масштаба слабого взаимодействия, чем позволило бы предположить наивное применение законов термодинамики; в какой-то момент частицы и античастицы настолько разбрелись по пространству, что просто не могут встретиться и уничтожить друг друга. Сколько таких частиц осталось на сегодняшний день, зависит от массы и характера взаимодействий предполагаемого кандидата на роль скрытой массы. Физики умеют вычислять реликтовую плотность при известных характеристиках. Загадочный и замечательный факт состоит в том, что для стабильных частиц с массой масштаба слабого взаимодействия реликтовая плотность как раз и получается примерно такой, чтобы эти частицы могли играть роль скрытой массы.
Конечно, поскольку мы не знаем ни точной массы частицы, ни точных параметров ее взаимодействий (не говоря уже о модели, к которой она может принадлежать), мы пока не можем сказать, насколько точно сойдутся у нас численные данные. Но счастливое, хотя и приблизительное, численное соответствие между двумя явлениями, которые на первый взгляд представляются совершенно независимыми, интригует и вполне может оказаться свидетельством того, что именно физика слабых взаимодействий способна объяснить наличие во Вселенной скрытой массы.
Такой тип кандидатов на роль скрытой массы получил известность как WIMP (Weakly Interacting Massive Particle — слабо взаимодействующая массивная частица). Слово «слабый» здесь выступает в роли описательного термина, а не отсылки к слабому взаимодействию: любая WIMP-частица вступает во взаимодействие еще менее охотно, чем нейтрино. Без дополнительных данных о темной материи и ее свойствах — данных, которые, возможно, удастся получить на БАКе — мы не сможем установить, действительно ли скрытая масса представляет собой WIMP. Именно для этого, кстати говоря, и нужны экспериментальные исследования.
Скрытая масс и БАК
Интригующая возможность получить образец темной материи — одна из главных причин, по которым космологов интересует физика масштаба слабого взаимодействия и перспективы БАКа. Энергии, которые будут достигнуты на БАКе, как раз подходят для поиска WIMP. Если скрытая масса в самом деле состоит из частиц, связанных с масштабом слабого взаимодействия, как позволяют предположить расчеты, не исключено, что эти частицы действительно удастся получить на женевском коллайдере.
Однако даже в этом случае нет никакой гарантии, что частицы темной материи будут обнаружены. В конце концов, темная материя почти не вступает во взаимодействие с частицами Стандартной модели, а потому получить ее непосредственно в коллайдере или обнаружить при помощи детектора наверняка не удастся. Даже если нужная частица будет получена, она пролетит через детектор насквозь и не оставит никаких следов. Тем не менее отчаиваться рано, даже если частица скрытой массы улизнет от нас. Любое решение проблемы иерархии будет связано с другими частицами, большинство из которых взаимодействуют гораздо активнее. Некоторые из них, возможно, удастся получить не один раз, а при их распаде, опять же возможно, получится частица темной материи, которая затем улетит, унося с собой часть импульса и энергии.
Лучше всего из моделей слабого масштаба, о которых идет речь и которые могут естественным образом содержать достойного кандидата на роль темной материи, изучены на данный момент суперсимметричные модели. Если суперсимметрия действительно применима к нашему миру, то вполне возможно, что именно легчайшая суперсимметричная частица LSP и составляет темную материю. Эта легчайшая частица, несущая нулевой электрический заряд, взаимодействует слишком слабо и возникает сама по себе слишком редко, чтобы ее можно было обнаружить. Однако глюино, суперсимметричные партнеры переносчиков сильного взаимодействия глюонов, и скварки, суперсимметричные партнеры кварков, по идее должны возникать, если они в принципе существуют и находятся в подходящем диапазоне масс. Как уже обсуждалось в главе 17, обе эти суперсимметричные частицы в конце концов должны распадаться с образованием LSP. Так что, несмотря на то что частицы темной материи не получится создать непосредственно, они должны все же возникать при распаде других, более часто встречающихся частиц с достаточной частотой, чтобы их можно было обнаружить.
Другие гипотезы о темной материи в слабом масштабе, имеющие проверяемые следствия, придется разрабатывать примерно так же. Масса частицы, составляющей темную материю, так или иначе должна лежать в диапазоне слабого взаимодействия, изучением которого займется БАК. Эти частицы не удастся получить непосредственно из-за их слабой активности, но многие модели предусматривают существование других частиц, которые должны распадаться, образуя именно темные частицы. В этом случае нам, возможно, удастся убедиться в существовании частицы темной материи, а также узнать ее массу по недостающему импульсу.
Обнаружение темной материи на БАКе было бы, безусловно, серьезным достижением. Ученые смогли бы подробно исследовать хотя бы некоторые из ее свойств. Однако для того, чтобы по-настоящему убедиться в том, что обнаруженная частица в самом деле составляет темную материю, потребуются дополнительные доказательства, которые нам, может быть, помогут получить наземные и космические детекторы.
Эксперименты по непосредственному обнаружению темной материи
Перспектива получить темную материю в коллайдере, несомненно, вызывает сильнейший интерес. Но следует заметить, что большинство космологических экспериментов проходит не в ускорителях. Ответы на космологические вопросы и информацию, которая помогает хотя бы чуть лучше разобраться в ситуации, чаще всего получают в ходе специальных экспериментов на Земле и в космосе, посвященных астрономическим вопросам и поиску темной материи.
Конечно, темная материя почти не взаимодействует с обычным веществом, поэтому поиски, ведущиеся в настоящее время, основаны на достаточно вольном предположении о том, что темная материя, несмотря на почти полную невидимость, тем не менее взаимодействует — слабо, но реально — с известным нам веществом (из которого мы, кстати говоря, можем построить детекторы). И это не просто попытка принять желаемое за действительное. Это предположение основано на некоторых расчетах, связанных с реликтовым излучением (о них уже упоминалось ранее); эти расчеты показывают, что если темная материя связана с моделями, предложенными для решения проблемы иерархии, то плотность оставшихся частиц вполне соответствует результатам наблюдения за темной материей. Многие WIMP-кандидаты на роль темной материи, предложенные на основании этих расчетов, взаимодействуют с частицами Стандартной модели с частотой, которую, вполне возможно, удастся обнаружить при помощи современных детекторов.
Но даже в этом случае, поскольку темная материя чрезвычайно неохотно вступает во взаимодействие, для ее поиска потребуются либо громадные детекторы на Земле, либо очень чувствительные детекторы (на Земле или в космосе), которые будут искать продукты, возникающие при встрече и аннигиляции темной материи, а также при рождении новых частиц и античастиц. Вероятность выиграть в лотерею, купив всего один билетик, очень мала, но если приобрести больше половины всех имеющихся билетиков, то у игрока будут очень неплохие шансы. Точно так же очень большой детектор, судя по всему, имеет шанс обнаружить темную материю, хотя вероятность того, что темное вещество взаимодействует с каждым конкретным ядром в детекторе, чрезвычайно мала.
Сложнее всего детектору будет зарегистрировать нейтральные — незаряженные — частицы темной материи, а затем отличить их от космических лучей или другого фонового излучения. Частицы, не несущие на себе заряда, не взаимодействуют с детектором традиционными способами. Чтобы частица темной материи оставила след в детекторе, нужно, чтобы она столкнулась с атомными ядрами в детекторе и хотя бы чуть-чуть поменяла их энергию. Поскольку это будет единственным наблюдаемым следствием такого пролета, детекторы темной материи поневоле должны будут регистрировать крохотные количества тепловой энергии или энергии отдачи, переданной детектору. Чтобы зафиксировать и измерить эту энергию, детекторы должны быть либо очень холодными, либо очень чувствительными.
Очень холодные устройства, известные как криогенные детекторы, регистрируют небольшое количество тепла, которое выделяется при входе частицы темной материи в аппарат. Небольшое количество тепла, полученное и без того горячим детектором, было бы слишком трудно заметить, но специально разработанные холодные детекторы на это способны. Криогенные детекторы изготавливают с применением кристаллического поглотителя, такого как германий. Среди экспериментальных установок такого рода можно назвать CDMS (Cryogenic Dark Matter Search — криогенный детектор темной материи), CRESST и EDELWEISS.
К другому классу детекторов непосредственного действия относятся детекторы на инертных газах в жидком состоянии. Темная материя непосредственно не взаимодействует со светом, но энергия, получаемая атомом ксенона или аргона при столкновении с ним частицы темной материи, может вызвать характерную вспышку. Эксперименты с ксеноном включают XENON100 и LUX, среди экспериментальных установок с другими благородными жидкостями можно назвать ZEPLIN и ArDM.
В теоретическом и экспериментальном физических сообществах каждый желает знать, какие новые результаты ожидаются от этих экспериментов. Мне повезло побывать на конференции по темной материи в Санта-Барбаре, организованной в декабре 2009 г. двумя учеными — Дагом Финкбейнером и Нилом Вейнером; в то время CDMS, один из наиболее чувствительных экспериментов по регистрации темного вещества, как раз должен был выдать новые результаты. Даг и Нил — молодые друзьяовесники, одновременно получившие магистерские степени в Беркли; мало того, они к тому же оба прекрасно разбираются в экспериментах по темной материи и в том, каких результатов от них можно ожидать. Нил занимался в основном физикой элементарных частиц, а Даг — астрофизикой, но тема темной материи объединила их обоих. На конференции им удалось собрать теоретиков и экспериментаторов — ведущих специалистов по этому вопросу.
Самая интересная лекция состоялась как раз в то утро, когда я туда приехала. Гарри Нелсон, профессор Университета Калифорнии в Санта-Барбаре, рассказывал о прошлогодних результатах CDMS. Вы, возможно, удивитесь, что рассказ о довольно старых уже результатах привлек столько внимания. Причина проста: все присутствующие знали, что всего через три дня будут опубликованы новые данные по этому эксперименту. Ходили активные слухи о том, что ученые CDMS получили реальные и весьма убедительные свидетельства открытия, так что всем хотелось лучше понять суть эксперимента. Много лет теоретики слушали разговоры о детекторах темной материи и соответствующих экспериментах, но, как правило, обращали внимание только на результат, а не на технические подробности самого эксперимента. Но теперь, когда до открытия темной материи, казалось, было рукой подать, теоретикам хотелось узнать побольше. Через несколько дней результаты действительно были опубликованы и разочаровали аудиторию с ее сильно преувеличенными ожиданиями. Но в день лекции всем было ужасно интересно. Гарри хватило терпения завершить свой обзор, несмотря на постоянные отвлекающие вопросы о новых результатах.
Поскольку лекция проходила в формате двухчасовой неформальной презентации, присутствующие могли прерывать лектора в любой момент, если это было необходимо для лучшего понимания. Гарри прекрасно объяснил все, что могло заинтересовать аудиторию, состоявшую преимущественно из специалистов по физике элементарных частиц, — ведь сам он по образованию тоже был таким специалистом, а не астрономом, и говорил с нами на одном языке.
Надо сказать, что в сложнейших экспериментах, связанных с поисками темной материи, дьявол, как всегда, кроется в деталях. Гарри дал нам это понять совершенно определенно. Эксперимент CDMS основан на продвинутой технологии низкоэнергетической физики — той самой, что традиционно называют физикой конденсированных состояний или физикой твердого тела. Гарри рассказал, что сам до вступления в коллаборацию ни за что бы не поверил, что такие тонкие измерения вообще возможны, и пошутил, что его коллегам-экспериментаторам следует радоваться, что первоначальное решение об эксперименте зависело не от него.
CDMS работает совершенно иначе, нежели сцинтилляционные детекторы на ксеноне и иодиде натрия. Он содержит кусочки германия или кремния размером с хоккейную шайбу, увенчанные точнейшим устройством регистрации, роль которого выполняет фононный датчик. Детектор работает при очень низкой температуре — где-то на самой границе сверхпроводимости. Даже небольшого количества тепла, приносимого фононами (фононы — акустические квазичастицы, переносящие энергию через германий или кремний, примерно как фотоны переносят энергию света), может оказаться достаточно, чтобы вывести детектор из состояния сверхпроводимости и зарегистрировать событие, потенциально связанное с темным веществом, при помощи устройства под названием SQUID (Superconducting Quantum Interference Device — сверхпроводящее устройство квантовой интерференции). Эти устройства чрезвычайно чувствительны и очень хорошо измеряют переданную энергию.
Но зарегистрировать событие недостаточно. Экспериментаторам необходимо убедиться, что детектор «увидел» действительно темную материю, а не просто фоновое излучение. Проблема состоит в том, что излучает все вокруг. Мы сами излучаем. Компьютер, на котором я печатаю эту книгу, излучает. Книга (бумажная или электронная), которую вы читаете, излучает. Пота с одногоединственного пальца экспериментатора достаточно, чтобы забить помехами любой сигнал от темной материи. И это без учета всевозможных естественных и рукотворных радиоактивных веществ. Окружающая среда и воздух, как и сам материал детектора, являются источниками излучения. В детектор могут попасть космические лучи. Медленные нейтроны в грунте запросто могут изобразить из себя темную материю. Мюоны космических лучей могут попасть в породу и породить веер частиц, в том числе и нейтронов, которые тоже могут выглядеть, как темная материя. В общем, фоновых электромагнитных событий в детекторе происходит в 1000 раз больше, чем предсказанных сигнальных событий, даже при достаточно оптимистичных предположениях о массе и силе взаимодействия частиц темной материи.
Так что главное занятие экспериментаторов, занятых поиском темной материи, — экранирование и дискриминация. (Это астрофизический термин. В физике элементарных частиц это называют более наукообразно — идентификация частиц, хотя я не уверена, что в наши дни это звучит намного лучше.) Экспериментаторы стремятся как можно лучше экранировать свое устройство, чтобы отсечь излучение и отличить потенциальные события, связанные с темным веществом, от совершенно неинтересного радиационного рассеяния в детекторе. Отчасти экранирование обеспечивается тем, что подобные установки размещают в шахтах глубоко под землей. Идея в том, что космические лучи, прежде чем добраться до детектора, имеют хорошие шансы взаимодействовать с чем-нибудь в грунте. С другой стороны, темная материя, которая взаимодействует гораздо менее охотно, доберется до детектора без помех.
К счастью для ученых, шахт и тоннелей существует вполне достаточно. Эксперимент DAMA, а также эксперименты под названиями XENON10, XENON100 (более крупная версия) и CRESST (детектор с использованием вольфрама) проводятся в лаборатории GranSasso, расположенной в Италии в тоннеле на глубине около 3000 м под землей. Другую установку на базе ксенона, получившую название LUX, предполагается разместить на глубине 1500 м в бывшей золотоносной шахте Хоумстейк в штате Южная Дакота. Этот эксперимент пройдет в той самой пещере, где Рэй Дэвис открыл нейтрино, возникающие в ходе ядерных реакций в глубинах Солнца. Эксперимент CDMS располагается в суданской шахте на глубине около 750 м.
И все же многих сотен метров грунта над шахтами и тоннелями недостаточно, чтобы гарантировать отсутствие лишнего излучения вокруг детектора. Ученым приходится дополнительно экранировать свои установки различными способами. Детектор CDMS заключен в кожух из полиэтилена, который светится при попадании в него извне чего-то более активно взаимодействующего, чем темная материя. Еще интереснее кожух из свинца, взятого с затонувшего в XVIII в. французского галеона. У старого свинца, пролежавшего несколько столетий в воде, было достаточно времени, чтобы избавиться от собственной радиоактивности. Это плотный поглотитель, идеальный для экранирования детектора от внешнего излучения.
Несмотря на все меры предосторожности и барьеры, до детекторов добирается немало квантов электромагнитного излучения. Чтобы отличить это излучение от потенциальных кандидатов на роль темной материи, требуется дальнейшая дискриминация. Взаимодействия частиц темной материи напоминают ядерные реакции, возникающие при попадании нейтрона в мишень. Поэтому напротив регистратора фононов располагается более традиционный детектор элементарных частиц, который измеряет ионизацию, возникающую при пролете предполагаемой частицы темной материи сквозь германий или кремний. Вместе два измеренных параметра (ионизация и энергия фонона) позволяют отличить ядерные процессы — подходящие события, которые могут указывать на присутствие темной материи — от событий, вызванных электронами и представляющих собой результат действия радиоактивности.
Среди других интересных особенностей установки CDMS — точное определение координат и времени события. Непосредственно его координаты определяются только в двух направлениях, но момент прохождения фононов дает положение и по третьей координате. Так что экспериментаторы могут точно определить, где произошло событие, и исключить фоновые события на поверхности. Еще одна особенность — то, что установка сегментирована на отдельные стопки детекторов размером с хоккейную шайбу. Истинное событие произойдет лишь в одном из этих детекторов, излучение же от местного источника может затронуть несколько детекторов сразу. Все это дает CDMS и следующей, еще лучше проработанной установке, неплохие шансы обнаружить темную материю.
Тем не менее, как бы впечатляюще ни выглядел эксперимент CDMS, он вовсе не является единственным детектором темной материи, да и криогенные устройства — не единственный тип таких детекторов. Через несколько дней после лекции Гарри о своих экспериментах XENON10 и XENON100, а также о других экспериментах с благородными жидкостями рассказала и Елена Априль, одна из пионеров работы с ксеноном. Поскольку вскоре эти установки должны стать самыми чувствительными детекторами темной материи, аудитория слушала очень внимательно.
В ксеноновых установках события, связанные с темным веществом, регистрируются за счет сцинтилляций. Жидкий ксенон представляет собой плотную гомогенную жидкость, обладает высокой атомной массой (что повышает вероятность взаимодействия с темным веществом), хорошо вспыхивает, легко ионизуется при получении энергии, так что описанные выше два типа сигналов можно эффективно отличать от электромагнитных событий, и к тому же относительно дешев по сравнению с другими пригодными для этой цели материалами (хотя за десять лет его цена увеличилась вшестеро). Эксперименты подобного типа с благородными газами стали намного масштабнее и эффективнее, к тому же их возможности далеко не исчерпаны. Когда вещества больше, вероятность желаемого события выше; кроме того, при помощи внешней части детектора можно более эффективно экранировать его внутреннюю часть, что помогает обеспечить значимость результата.
Измерив ионизацию и мощность первоначальной вспышки, экспериментаторы получают возможность отсечь фоновое излучение. В эксперименте XENON100 для измерения осцилляций используются особые фототрубки, созданные для работы в низкотемпературной среде детектора под высоким давлением. Аргоновые детекторы в будущем могли бы обеспечить еще более точную информацию о сцинтилляциях, поскольку в них устанавливается точная форма вспышки как функция времени, и это также поможет в дальнейшем отделить зерна от плевел.
Сегодня дело обстоит довольно странным образом (хотя положение может измениться в самом ближайшем будущем): дело в том, что один из сцинтилляционных экспериментов — DAMA в лаборатории Gran Sasso в Италии — зарегистрировал сигнал.
В приборе DAMA, в отличие от описанных только что экспериментов, не предусмотрено внутреннего различения сигнала и фона. Считается, что сигнал от событий с участием темной материи можно распознать исключительно по его временной форме, если применить для этого характерную зависимость, связанную с движением Земли по околосолнечной орбите.
Скорость прилетающих извне частиц темной материи имеет значение, потому что именно от нее зависит, сколько энергии выделится в детекторе. Если энергия слишком мала, эксперимент окажется не очень чувствительным и может просто не заметить появления частицы. Если энергия выше, вероятность того, что установка зарегистрирует событие, также повышается. Из-за движения Земли по орбите скорость темной материи по отношению к нам (а следовательно, и энергия, переданная детектору) зависит от времени года, и в некоторые сезоны (летом) сигнал увидеть проще, чем в другие (зимой). Эксперимент DAMA ищет регулярные сезонные колебания в частоте событий, которые согласуются с прогнозами, и его данные говорят о том, что такой сигнал обнаружен (на рис. 79 показаны данные DAMA).
Рис. 79 Данные эксперимента DAMA показывают модуляцию сигнала во времени
Никто пока не может сказать наверняка, является ли сигнал DAMA признаком темной материи или объясняется каким-то непониманием работы детектора или недооценкой внешних влияний. Ученые настроены скептически, потому что ни один из остальных экспериментов пока ничего не обнаружил. Отсутствие подтверждений плохо согласуется с прогнозами большинства моделей скрытой массы.
Пока ничего не понятно, но именно такого рода вещи делают науку интересной. Результат заставляет задуматься о том, что скрытую массу могут составлять несколько различных типов вещества; кроме того, темная материя может обладать какими-то свойствами, которые облегчают ее обнаружение именно в эксперименте DAMA. Такие результаты заставляют нас лучше изучать собственные установки и разбираться во всех их особенностях, только тогда мы сможем отфильтровать случайные сигналы и сказать, что данные эксперимента означают именно то, что утверждают экспериментаторы.
Ученые по всему миру работают над повышением чувствительности своих установок, чтобы можно было либо исключить, либо подтвердить открытие темной материи детектором DAMA. А может быть, им удастся независимо открыть другой тип темной
материи. Все согласились бы с тем, что темная материя наконец открыта, если бы хотя бы один эксперимент подтвердил данные DAMA, но пока ничего подобного не произошло. Тем не менее есть шанс, что ответы на эти вопросы будут получены в самом ближайшем будущем. Даже если к моменту, когда вы будете читать эту книгу, изложенные выше результаты уже устареют, характер и методики экспериментов по-прежнему будут актуальны.
Косвенные поиски темной материи
Эксперименты на БАКе и наземных криогенных детекторах или на ксеноне и аргоне — два способа определить природу темной материи. Третий и последний способ — определить ее путем непрямых наблюдений темной материи в небе и на земле.
Темная материя во Вселенной очень разрежена, но иногда она все же аннигилирует сама по себе или с участием соответствующей античастицы. Это происходит недостаточно часто, чтобы заметно изменить среднюю плотность темной материи, но даже этих нечастых событий может оказаться достаточно, чтобы породить измеримый сигнал. Дело в том, что при аннигиляции частиц темной материи рождаются новые частицы, которые уносят прочь их энергию. В некоторых случаях, в зависимости от природы темной материи, при ее аннигиляции могут родиться обнаружимые частицы и античастицы Стандартной модели, такие как электроны и позитроны или пары фотонов. Тогда астрофизические детекторы, способные регистрировать античастицы или фотоны, возможно, «увидят» и признаки этих аннигиляций.
Инструменты, занятые сейчас поиском продуктов аннигиляции темной материи, первоначально предназначались совсем не для этой цели. Они были задуманы как телескопы или детекторы (космические или наземные) для регистрации света или частиц; ученые просто хотели лучше понять, что находится там, в небе. Увидев, что именно излучают звезды, галактики и всевозможные экзотические объекты в них, астрономы могут многое узнать о химическом составе астрономических объектов, выяснить свойства и природу звезд.
Философ Огюст Конт в 1835 г. ошибочно сказал о звездах: «Мы никогда и никакими средствами не сможем исследовать их химический состав». Ему казалось, что это знание навсегда останется за пределами человеческих возможностей. Тем не менее после этих слов прошло не так уж много времени, когда в результате открытия и интерпретации спектра Солнца — злученного или поглощенного света — мы узнали о составе нашего светила, и ошибка Конта была раз и навсегда доказана.
Сегодняшние эксперименты продолжают ту же миссию, пытаясь определить состав других небесных тел. Современные телескопы очень чувствительны, и буквально с каждым месяцем мы узнаем об окружающем мире все больше и больше.
К счастью, наблюдения за светом и частицами, которыми уже занимаются самые разные приборы и установки, тоже могут продлить свет на природу скрытой массы. Поскольку античастицы во Вселенной встречаются относительно редко, а распределение энергии фотонов может обладать вполне определенными опознаваемыми свойствами, подобные наблюдения со временем, возможно, удастся связать с темной материей. Пространственное распределение этих частиц, возможно, также позволит отличить продукты аннигиляции от более распространенных астрофизических фонов.
Система HESS (High Energy Stereoscopic System), расположенная в Намибии, и система VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescopic Array) в штате Аризона представляют собой объединение множества наземных телескопов, занятых поисками фотонов высоких энергий из центра нашей Галактики. А следующее поколение очень высокоэнергетических гамма-обсерваторий — CTA (Cherenkov Telescope Array) — обещает еще более высокую чувствительность. Космический гамма-телескоп Ферми, ранее известный как GLAST, каждые 95 минут огибает Землю по орбите высотой 550 км на спутнике, запущенном в 2008 г. Преимущество наземных детекторов фотонов в том, что они собирают свет с громадной территории, тогда как чувствительнейшие инструменты телескопа Ферми дают много лучшее энергетическое разрешение и точнее определяют направление; они чувствительны к более низкоэнергетическим фотонам и имеют в 200 раз более широкое поле зрения.
Любой из перечисленных инструментов может регистрировать фотоны — как образовавшиеся при аннигиляции темной материи, так и излученные электронами и позитронами, родившимися в результате этой аннигиляции. Увидев те или другие, мы наверняка многое узнаем о характере и свойствах темной материи.
Другие детекторы занимаются в первую очередь поисками позитронов — античастиц электронов. Физики, участвующие в российско-итальянском спутниковом эксперименте PAMELA, уже сообщили о своих находках, и они совсем не похожи на то, что прогнозировалось заранее (см. результаты эксперимента PAMELA на рис. 80). Название в данном случае представляет собой аббревиатуру не слишком понятной фразы Pay load for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics*. Мы пока не знаем, чему мы обязаны «лишними» событиями, которые зарегистрировал этот аппарат, — темной материи или неверной оценке астрономических объектов, таких как пульсары. В любом случае результаты привлекли внимание и астрофизиков, и специалистов по физике элементарных частиц.
Рис. 80 Данные с прибора PAMELA показывают, как плохо экспериментальные данные (кресты) о доле позитронов в зависимости от энергии согласуются с теоретическими прогнозами (пунктирная кривая)
Темная материя может также аннигилировать с образованием протонов и антипротонов. Более того, многие модели предсказывают, что если уж частицы темной материи находят друг друга и аннигилируют, так чаще всего и происходит. Однако большое количество антипротонов, возникающих в Галактике в других известных астрофизических процессах, может маскировать сигналы от аннигиляции темной материи. И все же у нас, возможно, есть шанс увидеть темную материю при помощи антидейтронов — очень слабо связанных состояний антипротона и антинейтрона, — которые также могут возникать при аннигиляции темной материи. Альфа-магнитный спектрометр AMS-02, находящийся в настоящее время на Международной космической станции, а также специальные спутниковые системы, такие как GAPS (General Antiparticle Spectrometer), возможно, когда-нибудь «засекут» антидейтроны и откроют тем самым темную материю.
Наконец, ключом к непрямому обнаружению темной материи могут оказаться незаряженные частицы под названием нейтрино, участвующие только в слабом взаимодействии. Возможно, темная материя попадает в ловушку и оказывается запертой в центре Солнца или Земли. В таком случае единственным сигналом, который смог бы выбраться оттуда, являются именно нейтрино, так как в отличие от других частиц они не взаимодействуют по пути с веществом. Поисками этих высокоэнергетических нейтрино заняты детекторы Baikal, AMANDA, Ice Cube и ANTARES.
Если нам удастся зафиксировать хотя бы один из перечисленных сигналов — и даже если не удастся! — после этих экспериментов мы будем больше знать о природе темной материи, типичных для нее взаимодействиях и о ее массе. Пока же физики думают о том, какой сигнал следует ждать по прогнозам каждой из основных гипотез о темной материи. И, разумеется, мы задаемся вопросом о том, что могут означать уже полученные данные. Темная материя так слабо взаимодействует с материей обычной, что обнаружить ее будет очень непросто. Но можно надеяться, что установка разных, но действующих одновременно детекторов темной материи в ближайшем будущем непременно позволит нам добиться успеха; добавив к этому результаты экспериментов на БАКе, мы сможем лучше понять, что скрывает в себе Вселенная.
