В тёмной комнате стоит бак с жидким аргоном. Иногда сквозь него пролетает невидимая частица, задевает ядро атома — и в жидкости вспыхивает слабый свет. По этой вспышке физики пытаются понять, что за гостья к ним пожаловала. Может быть, это частица тёмной материи — той самой загадочной субстанции, из которой состоит большая часть вещества во Вселенной, но которую никто никогда не видел.
Детектор DarkSide-50 — как раз такой бак, только небольшой: в нём всего 46 килограммов аргона. Для сравнения, другие подобные установки весят сотни и тысячи килограммов. Но даже с таким скромным размером DarkSide-50 сумел поставить один из лучших пределов на массу лёгких частиц тёмной материи — вплоть до 1,2 гигаэлектронвольта. Это примерно масса протона. Чтобы добиться такого результата, физикам пришлось очень точно понимать, как ядро аргона отдаёт энергию при столкновении. Этот процесс называется ионизационным выходом, и именно его измеряли в четырёх разных экспериментах: DarkSide-50, ARIS, SCENE и ReD.
Теперь все эти данные собрали вместе и построили общую модель. Она описывает, сколько электронов выбивается из атома при ударе частицы, в широком диапазоне энергий — от 0,4 до 150 килоэлектронвольт. Модель основана на простой идее: ядро и выбитые электроны взаимодействуют друг с другом внутри маленького «ящика» — так называемая модель Томаса–Имеля. Но даже в этой модели есть выбор: как именно описывать отталкивание между ядрами при столкновении. Учёные перебрали три варианта и с помощью байесовского сравнения моделей выяснили, что два из них плохо согласуются с данными, а третий — функция Ленца–Йенсена — подходит лучше всего.
Новая модель помогла DarkSide-50 стать ещё чувствительнее к лёгким частицам тёмной материи — тем, что легче 3 гигаэлектронвольт. А главное, она уточнила расчёты для будущего детектора DarkSide-20k, который будет в сотни раз больше. Когда он заработает, у тёмной материи останется ещё меньше мест, где спрятаться.
Тот же бак с жидким аргоном теперь слушает тишину внимательнее. И если тёмная материя действительно существует, её шёпот станет громче.
Жидкий аргон в детекторе холоднее, чем поверхность Плутона: его температура около минус 186 градусов Цельсия. При такой температуре аргон становится прозрачным для собственных вспышек света, и детектор может «видеть» каждое столкновение.
Охота за тёмной материей напоминает сюжет фильма «Интерстеллар», где герои ищут невидимую силу, влияющую на гравитацию, — только здесь вместо чёрной дыры детектор с жидким аргоном.