Тайна темной материи: что на самом деле засек детектор в Италии

Расчеты ученых показали, что Вселенная на 95% состоит из пока не исследованного людьми вещества: 70% приходится на темную энергию, а 25% — на темную материю. Предполагается, что первая представляет собой некое поле с ненулевой энергией, а вот вторая состоит из частиц, которые можно обнаружить и изучить. Но не зря это вещество называют скрытой массой — его поиски длятся немалое время и сопровождаются жаркими дискуссиями среди физиков. Для того чтобы донести свои исследования до общественности, ЦЕРН даже инициировал День темной материи, который впервые отмечается сегодня, 31 октября.

Основную массу скопления галактик IDCS 1426 составляет темная материя
©  NASA/CXC/Univ of Missouri/M.Brodwin et al; Optical: NASA/STScI; Infrared: JPL/CalTech

Сторонники существования темной материи приводят довольно весомые аргументы, подтвержденные экспериментальными фактами. Ее признание началось в тридцатых годах XX века, когда швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости, с которыми галактики спиралевидного скопления Волосы Вероники движутся вокруг общего центра. Как известно, скорость движения зависит от массы. Расчеты ученого показали, что истинная масса галактик должна быть намного больше, чем определенная в процессе наблюдений при помощи телескопов. Получалось, что довольно крупная часть галактик просто не видна нам. Следовательно, она состоит из материи, не отражающей и не поглощающей свет.

Вторым подтверждением существования скрытой массы является изменение света при прохождении через галактики. Дело в том, что любой обладающий массой объект искажает прямолинейный ход лучей света. Таким образом, темная материя внесет свои изменения в световую картину, и та станет отличаться от картины, которая создавалась бы только видимым веществом.

Снимок скопления галактик. Линиями показаны «очертания» темной материи
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS

Хотя доказательства существования темной материи достаточно убедительны, пока никто не нашел и не изучил частицы, из которых она состоит. Физики предполагают, что такая скрытность обусловлена двумя причинами. Первая заключается в том, что эти частицы обладают слишком высокими энергиями, поэтому возможностей современных ускорителей просто не хватает для «рождения» такой частицы. Вторая причина заключается в очень малой вероятности появления темной материи. Возможно, мы не можем найти ее именно из-за того, что она крайне слабо взаимодействует с человеческим телом и известными нам частицами.

Хотя темная материя повсюду (согласно расчетам) и ее частицы буквально проносятся через нас каждую секунду, мы просто этого не ощущаем.

Для обнаружения частиц темной материи ученые используют детекторы, которые расположены под Землей для минимизации лишних воздействий. Предполагается, что изредка частицы темной материи все же сталкиваются с атомными ядрами, передают им часть импульса, выбивают электроны и вызывают вспышки света. Частота таких столкновений зависит от того, через какую часть скопления галактик движется Земля в течение года. Но экспериментальные группы даже при обнаружении некоторого воздействия, которое не может принадлежать известным частицам, отрицают, что данный отклик детектора вызвала темная материя. В частности, это связано с тем, что наблюдаемые разными исследовательскими коллективами сигналы отличаются. И только итальянская экспериментальная группа DAMA, работающая в подземной лаборатории Гран-Сассо, сообщает о наблюдаемых годичных вариациях скорости счета сигналов.

В данном эксперименте на протяжении нескольких лет измеряются количество и энергия вспышек света внутри детектора. Исследователи доказали наличие слабых (около 2%) годичных колебаний по характеру возникающих вспышек.

Хотя итальянская группа уверенно отстаивает надежность проведенных экспериментов, мнения ученых по этому поводу довольно неоднозначны. Основное слабое место результатов, полученных итальянской группой, — их неповторяемость. Например, когда открыли гравитационные волны, их засекали лаборатории по всему миру, тем самым подтверждая полученные другими группами данные. В случае с DAMA дело обстоит иначе — больше никто в мире не может похвастаться наличием таких же результатов! Конечно, есть возможность того, что у этой группы более мощные детекторы или свои методы, но такая уникальность эксперимента вызывает у некоторых исследователей сомнения в его достоверности.

«Пока нельзя точно сказать, к чему относятся данные, собранные в лаборатории Гран-Сассо. В любом случае группа из Италии предоставила положительный результат, а не отрицание чего-либо, что уже сенсация. Теперь найденным сигналам необходимо искать объяснение. И это прекрасный стимул к развитию самых разных теорий, в том числе посвященных созданию модели скрытой массы. Но даже если ученый пытается объяснить, почему полученные данные никоим образом не относятся к темной материи, это все равно может стать новым шагом в теоретической физике. В любом случае результат есть и надо продолжать работу. Но полностью согласиться, что темная материя найдена, лично я на данный момент не могу», — комментирует Константин Белоцкий, ведущий научный сотрудник Кафедры физики элементарных частиц НИЯУ «МИФИ».