детектирование тёмной материи

Тёмную материю никто не видел, но она должна проходить сквозь детекторы как ветер сквозь листву. Иногда, очень редко, частица тёмной материи задевает ядро атома — и тогда детектор должен уловить этот толчок. Проблема в том, что лёгкие частицы тёмной материи почти не могут сдвинуть тяжёлые ядра: это как пытаться сбить кеглю, бросая в неё пушинку.

Охотник расставляет силки в лесу. Он знает повадки зверя, но не знает, попадётся ли тот вообще. Примерно так же физики расставляют детекторы в попытке поймать частицы тёмной материи — невидимой субстанции, которая, как считается, составляет большую часть массы Вселенной. Новая работа предлагает охотникам необычный инструмент: не капкан, а рулетку.

В антарктическом льду спрятан детектор размером с кубический километр. Он ловит не свет, а призрачные частицы — нейтрино, которые почти не взаимодействуют с веществом. Но иногда в нём может мелькнуть совсем другой зверь: пара мюонов, которые рождаются вместе и разлетаются широким веером. Такой узор не нарисовать ни одной известной частицей из обычной материи.

В галактике NGC 1052 DF2 звёзды движутся со скоростью всего 8 километров в секунду — будто никакой невидимой массы вокруг нет. Для сравнения: в нашем Млечном Пути окраинные светила разгоняются до 200 километров в секунду, удерживаемые массивным гало тёмной материи.

Вселенная звучит тишиной. Львиная доля материи — около 85% — остаётся невидимой, проявляясь лишь через гравитацию. Ещё Вера Рубин показала, что галактики вращаются так, будто их окутывает незримая масса.

Тёмная материя не оставляет следа в обычных детекторах — она проходит сквозь них, как ветер сквозь марлю. Чтобы её заметить, нужны приборы, способные ощутить удар комара в бурю. Квантовые датчики с порогом в доли электронвольта (в тысячу раз меньше энергии видимого света) как раз такие.

В кромешной тьме вакуумной камеры парит крошечный магнит. Он не касается стенок и почти не теряет энергию — идеальный страж, готовый уловить слабейший толчок. Именно такой страж нужен для охоты на аксионы. Эти частицы — главные подозреваемые в деле о скрытой массе Вселенной, которую мы называем тёмной материей.

Вселенная похожа на огромный склад, где когда-то давно провели строгую инвентаризацию. Реликтовое излучение — это древняя опись всего, что было в наличии спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва. Согласно ей, доля материи в общем «бюджете» космоса (параметр Омега_m) известна с высокой точностью.

Море, пронизывающее всё пространство, остаётся невидимым для нас. Это море — тёмная материя, а волны на его поверхности — частицы под названием аксионы. Они настолько лёгкие и неуловимые, что проходят сквозь Землю, не замечая её. Но если эти волны ударяются о берег из особого материала, они могут оставить след — крошечный электрический ток.

Каждую секунду сквозь тело проходит около сотни невидимых частиц — мюонов. Они рождаются высоко в небе, когда космические лучи сталкиваются с атомами воздуха, и дождём сыплются на Землю. Эти частицы настолько проникающие, что могут пройти сквозь многоэтажное здание, но при этом слегка меняют направление, встретив плотное вещество — например, свинец или уран.

Старая фотография, сделанная в момент рождения Вселенной, почти 14 миллиардов лет несёт к нам свой свет. Этот снимок — реликтовое излучение, остывшее эхо Большого взрыва. На нём запечатлены мельчайшие неоднородности, из которых позже выросли галактики.

История началась почти век назад, когда Эдвин Хаббл показал, что галактики разбегаются, а Фриц Цвикки и Вера Рубин позже поняли: для объяснения их движений необходима невидимая масса — тёмная материя.

В самом начале, спустя мгновения после Большого взрыва, Вселенная была устроена до смешного симметрично: частиц и античастиц — поровну. Но случился перекос, крошечный, как одна лишняя песчинка на килограмм сахара, и весь привычный нам мир — звёзды, планеты, люди — возник из этого избытка. Как именно природа устроила этот перевес, до сих пор загадка.

Тёмная материя — невидимая субстанция, чья гравитация удерживает галактики от разлёта, — до сих пор ускользает от прямого наблюдения. Одна из гипотез предполагает, что она состоит из аксионов — гипотетических очень лёгких частиц, предсказанных теорией.

Представьте идеально гладкий пруд: малейшее дуновение ветерка порождает рябь на его поверхности. В роли такого пруда выступает плоский кристалл из заряженных атомов — ионов, удерживаемых в электромагнитной ловушке.

Облако Оорта — это сферический рой из триллионов ледяных тел на самой границе Солнечной системы, примерно в световом годе от Солнца. Эти объекты почти неподвижны относительно друг друга, пока какое-то гравитационное возмущение не нарушит их покой.

Обычные детекторы тёмной материи похожи на футбольного вратаря, который ждёт мощного удара, а мяч еле катится. Частицы-невидимки, заполняющие нашу Галактику, часто движутся слишком медленно, чтобы их заметили чувствительные датчики.

На окраине Солнечной системы, далеко за орбитой Нептуна, что-то сбивает с пути ледяные глыбы. Их орбиты вытянуты и наклонены одинаково, словно невидимая рука расставила их по одной схеме. Астрономы подозревают, что там прячется девятая планета — массивная, раз в пять-десять тяжелее Земли, но такая тусклая, что её не видно ни в один телескоп. Но даже невидимый объект можно выдать теплом.

Тёмная материя — невидимая масса, гравитационно удерживающая галактики от разлёта. Её природа остаётся неизвестной, но один из наиболее вероятных кандидатов — аксион, сверхлёгкая частица, почти не взаимодействующая с обычным веществом. Чтобы зарегистрировать её, физики создали гибридную ловушку, сочетающую квантовую оптику и сверхпроводящую электронику.

На Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются почти со скоростью света. Иногда они не разбиваются, а обмениваются фотонами — частицами света. Эти фотоны могут породить пару: одну частицу, которую детектор видит, и другую, которая улетает незамеченной.

Снимки далёких галактик пестрят изогнутыми дугами и пятнами — это свет, искорёженный по пути к нам. Эффект, предсказанный Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности, работает как гигантское кривое зеркало: массивное скопление галактик своей гравитацией искажает изображения фоновых источников — явление, называемое…

В глубоком холоде, при температуре всего два градуса выше абсолютного нуля, медная полость размером с кастрюлю слушает тишину Вселенной. Эта полость — сердце прототипа детектора Supax, созданного для поиска аксионов: частиц, которые никто никогда не видел, но которые могут составлять невидимую тёмную материю, удерживающую галактики вместе.

Пуля, которая пробивает не одну мишень, а оставляет след сразу в нескольких слоях брони. Примерно так ведёт себя сверхтяжёлая тёмная материя, которую впервые искали в детекторе DarkSide-50. Обычные кандидаты в тёмную материю — слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) — проходят сквозь вещество почти незаметно, изредка сталкиваясь с ядрами.

Древний свинец, пролежавший на дне моря две тысячи лет, стал сердцем детектора, который ищет самую неуловимую субстанцию во Вселенной. Из него вырастили прозрачный кристалл вольфрамата свинца массой 13 граммов и охладили почти до абсолютного нуля. Такой свинец ценен тем, что за столетия из него успели распасться почти все нестабильные атомы — он стал исключительно чистым, как вода из горного родника.

С тех пор как Вера Рубин впервые убедительно показала, что галактики окружены невидимым веществом, поиск природы тёмной материи остаётся одной из главных задач физики.

Тёмная материя — невидимый гравитационный каркас, удерживающий галактики от центробежного распада. Ещё в 1930-х Фриц Цвикки, анализируя движение галактик в скоплении Волос Вероники, обнаружил аномально высокие скорости, требующие дополнительной массы.

Рентгеновский лазер LCLS-II в Калифорнии бьёт короткими мощными вспышками — как стробоскоп на дискотеке. Между вспышками остаются тёмные паузы длиной в 26,9 наносекунды (миллиардных доли секунды). Именно в этих паузах физики хотят ловить тёмную материю — загадочное вещество, которое не светится, но притягивает обычную материю своей гравитацией.

Слияние двух нейтронных звёзд — это как удар гонга: по Вселенной расходится дрожь пространства, гравитационная волна. Детекторы на Земле ловят эту дрожь и по её силе вычисляют расстояние до источника. Но волна летит не в пустоте: по дороге её слегка искривляют гравитационные поля скоплений галактик.

Тёмная материя — невидимая субстанция, масса которой примерно в пять раз превышает массу обычного, барионного вещества. Её гипотетические частицы крайне слабо взаимодействуют с атомами: они проходят сквозь вещество, почти не оставляя следов, но изредка могут рассеяться на электроне — подобно тому, как порыв ветра задевает натянутую струну, вызывая едва уловимое колебание.

Загадку тёмной материи — таинственной субстанции, проявляющей себя лишь через гравитацию, — изучали ещё пионеры космологии Фриц Цвикки и Вера Рубин. Долгое время её представляли холодным, безвольным каркасом, который только стягивает галактики, словно невидимый скульптор, задающий форму космической паутине.

В огромном спектрометре в Карлсруэ, похожем на гигантскую металлическую бочку, ловят частицы, которые почти невозможно поймать. Нейтрино — призраки микромира: каждую секунду сквозь ваше тело пролетают триллионы этих частиц, и вы этого не замечаете. Но у них есть масса, и учёные хотят её измерить. Для этого в KATRIN используют радиоактивный газ тритий.

В 1930-х годах Фриц Цвики, наблюдая за скоплением Волос Вероники, обратил внимание на аномально высокие скорости галактик: их движение указывало на присутствие огромной скрытой массы, гравитационно связывающей систему.

В глубине криостата, под слоями сверхпроводящих катушек, лежит стопка из сотен полупроводниковых слоёв. Каждый слой толщиной в несколько нанометров: арсенид галлия, затем арсенид алюминия-галлия. Электроны внутри этих слоёв заперты в плоскости, как муравьи на листе бумаги.

Кремниевая сфера диаметром 166 нанометров парит в луче инфракрасного лазера. Давление ниже 10⁻⁸ мбар, температура движения — около 10 милликельвинов. Это холоднее реликтового излучения. Сфера — микроскопический сейсмограф, улавливающий квантовые толчки невидимых частиц. Каждый удар частицы тёмной материи передаёт сфере импульс. Сфера вздрагивает.