эксперименты по прямому детектированию

Вселенная постоянно шлёт нам сигналы, но многие из них слишком слабы, чтобы их заметить. Реликтовые нейтрино — частицы, оставшиеся от Большого взрыва, — проходят сквозь Землю миллиардами каждую секунду, но поймать хотя бы одно — задача на грани возможного. Нужен детектор, который почувствует энергию в тысячу раз меньше, чем нужно, чтобы сдвинуть пылинку.

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.

Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной. Её существование выводится из гравитационного влияния на движение звёзд и галактик, но состав этого каркаса остаётся загадкой. Одна из гипотез — сверхлёгкие частицы, напоминающие аксионы. Они почти не взаимодействуют с обычным веществом, однако в редких случаях могут проявлять себя.

264 километра в секунду — с такой скоростью Солнечная система проносится сквозь облако тёмной материи. Его существование выдали галактики: они вращались слишком быстро, чтобы их удерживала видимая масса, и Вера Рубин первой заподозрила скрытый каркас.

В девять утра детектор DarkSide-50 в 1400 метрах под горой Гран-Сассо фиксирует слабый ионизационный импульс. К одиннадцати вечера частота таких событий заметно падает. Это не сбой электроники и не сезонная вариация фона. Каждые сутки поток тёмной материи, достигающий детектора, меняется почти вдвое по амплитуде.

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 — невидимый архитектор Вселенной, удерживающий галактики от разлёта. С лёгкой руки Фрица Цвикки и Веры Рубин мы знаем: обычного вещества в космосе — лишь ничтожная примесь. Но что скрывается за этим тёмным веществом?

Гравитационные волны от слияния чёрных дыр звучат как басовые аккорды, пульсары отбивают ритм, а реликтовое излучение доносит отголоски Большого взрыва. Но есть и безмолвный игрок — тёмная материя, чьё присутствие выдают лишь гравитационные эффекты.

Стандартная модель космологии, опирающаяся на уравнения поля, предложенные Эйнштейном, описывает Вселенную как коктейль из тёмной материи (открытой благодаря Вере Рубин) и тёмной энергии в пропорции примерно 1:3.

Большой подземный бак с жидким ксеноном ждёт редкого события — толчка от частицы тёмной материи. Обычно гравитация слишком слаба, чтобы такой толчок заметить. Но если у пространства есть скрытые измерения, всё меняется: на крошечных расстояниях гравитация резко усиливается, и шанс засечь неуловимую частицу растёт.

Детекторы тёмной материи — это, по сути, микрофоны невероятной чуткости, способные расслышать шёпот в грохоте рок-концерта. Их задача — уловить редкие толчки от гипотетических частиц тёмной материи, которые, как полагают, изредка сталкиваются с ядрами обычного вещества.

Бильярдный шар врезается в другой. Удар — и шары разлетаются. Но если толчок будет не резким, а очень плавным, шары просто покатятся вместе, не отскакивая. Примерно так же ведёт себя атом, когда в него попадает частица тёмной материи.

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.

Камень, брошенный в воду, оставляет круги. Спутник, летящий вокруг Земли, тоже оставляет след — только не на воде, а в законах физики. Его орбита не застывшая линия: она медленно поворачивается, как стрелка гигантских часов. Часть этого вращения объяснима привычной гравитацией, но появляется всё больше намёков, что в дело вмешивается кто-то ещё — невидимый и вездесущий.

В тёмной комнате на лазерном луче висит стеклянная бусина размером с пылинку. Под ней — два зеркала: алюминиевое и серебряное. Если где-то рядом проносятся аксионы — лёгкие частицы-невидимки, которые могли бы составить таинственную тёмную материю, — они обмениваются ими с атомами зеркал, и бусина чуть-чуть смещается.

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.

Тёмная материя невидима, но её гравитация управляет движением галактик. Из чего она состоит — загадка. Одна из идей: это сверхлёгкие частицы, похожие на аксионы.

Детектор, заполненный сверхтекучим гелием-4, похож на идеально тихое озеро. Жидкость не плещется, не пузырится — она замерла в едином квантовом состоянии. Сквозь неё пролетает невидимый гость — частица тёмной материи. Сама она не светится и не оставляет следа. Но иногда задевает ядро атома гелия. Ядро получает слабый толчок и сдвигается.

Фруктовый смузи пробуют через две разные трубочки. Одна пропускает только крупные кусочки, другая — только жидкость. По отдельности ощущения обманчивы, но вместе они дают ключ: вот, кажется, банан, а здесь — клубника.

Нейтронная звезда — это мёртвое ядро массивной звезды, сжатое до размеров города. Чайная ложка её вещества весит как гора. Сквозь такую плотную среду частицы тёмной материи пролетают почти свободно, но иногда всё же ударяются о нейтроны и застревают, словно пули, вязнущие в толще песка. Осев в центре, они отдают энергию — и звезда чуть нагревается.

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.

Холодное облако атомов похоже на рой светлячков, которые тянутся друг к другу. Притяжение между атомами пытается собрать их в один плотный ком. Но квантовое дрожание — неустранимое движение частиц — мешает кому схлопнуться. Когда притяжение сильное, облако разбивается на отдельные сгустки.

Под землёй, в бывшей золотой шахте, стоит бак с жидким ксеноном. Если через него пролетит частица тёмной материи, ксенон вспыхнет. Но вспыхивает он и от обычных частиц — например, от нейтрино или остатков радиоактивности. Задача — понять, какая вспышка от тёмной материи, а какая от шума.

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.

Крошечный сверхпроводник, парящий над магнитом благодаря эффекту Мейснера, — это пробка на поверхности невидимого океана. Малейшее дуновение тёмной материи — гипотетической формы материи, не испускающей электромагнитного излучения — заставляет его вздрагивать. Учёные рассмотрели два вида такого «ветра».

Представьте детектор тёмной материи как комнату, где исследователи пытаются расслышать едва уловимый шёпот, но всё вокруг заполнено треском статического электричества. Этот треск создают атомы радона — радиоактивного газа, который непрерывно просачивается из конструкционных материалов и воздуха.

Вселенную удерживает невидимый каркас из тёмной материи — загадочной субстанции, проявляющей себя только через гравитацию. Возможно, её часть — тёмные фотоны, гипотетические призрачные копии обычных фотонов, которые почти не взаимодействуют с веществом и проходят сквозь него, словно свет сквозь стекло.

В ядерных переходах бериллия-8, гелия-4 и углерода-12 физики из коллаборации ATOMKI с 2020 года видят лишние события — будто при распаде возбуждённого ядра иногда рождается что-то ещё, кроме обычных фотонов. Энергия этого «чего-то» всегда одна и та же: около 17 миллионов электрон-вольт.

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.

Тёмная материя невидима, но её можно поймать на отскоке. Водород, встроенный в углеродную плёнку, работает как бильярдный шар: когда в него попадает частица тёмной материи, протон вылетает наружу. Этот вылет и есть искомый сигнал. Авторы идеи предлагают покрыть детектор гидрированным углеродом — материалом, который уже умеют делать тонкими слоями.

Галактики разбегаются, но скорость расширения, измеренная по свечению после Большого взрыва и по взрывам сверхновых, не совпадает — эту проблему назвали хаббловским напряжением. Словно два танцора, которые сбиваются с ритма, потому что не чувствуют друг друга.

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 — невидимая субстанция, которая держит галактики вместе, но до сих пор ускользает от прямых наблюдений. Детектор BULLKID-DM спроектирован так, чтобы ловить частицы-кандидаты с массой около 1 ГэВ (примерно как у протона) и очень слабым взаимодействием с обычным веществом — сечение меньше $$10^{-40}$$ см². Это как пытаться услышать шёпот в шумном городе.

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.

Тёмная энергия и тёмная материя — незримые дирижёры космоса. Обычно их считают независимыми сущностями, но новое исследование предлагает видеть их партнёрами в сложном танце. Ведущая роль отводится тёмной энергии — загадочной субстанции, ответственной за ускоренное расширение Вселенной.

Тёмная материя — невидимое вещество, которое держит галактики вместе, но не испускает свет. Поймать её частицы — всё равно что услышать шёпот в шумном зале. Обычные детекторы слышат только громкие удары, а слабые сигналы тонут в помехах. В жидком аргоне частица тёмной материи, столкнувшись с ядром атома, выбивает искру света и облако зарядов. Но при слабом толчке искра едва тлеет.

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.

В лаборатории DESY запущен эксперимент ALPS II, нацеленный на обнаружение аксионов — гипотетических частиц-призраков, почти не взаимодействующих с веществом, из которых может состоять тёмная материя. Эта невидимая масса выполняет роль гравитационного каркаса, удерживающего галактики от разлёта под действием центробежных сил при вращении.