Охота за тёмной материей

Жалко бедных физиков, ищущих тёмную материю – экзотическую субстанцию, из которой состоит примерно четверть всего вещества в космосе, взаимодействующую с остальной Вселенной только через гравитацию и слабое взаимодействие. И недели не проходит без того, чтобы новый намёк на тёмную материю не дразнил физиков, возникнув на границе статистической погрешности, а затем исчезнув, разбивая их надежды.

Для поисков тёмной материи ставят огромное количество экспериментов, целый буквенный суп из аббревиатур, и каждый использует свою технику и технологию. Так вот физикам приходится искать нечто, точные свойства чего им неизвестны. Проблема в том, что хотя в нескольких экспериментах были обнаружены возможные намёки на тёмную материю, они не согласуются друг с другом. Если нанести результаты разных экспериментов разными цветами на один график, он будет выглядеть, как абстрактное искусство.

6 лет назад Хуан Колар из Чикагского университета был полон надежд по поводу скорого обнаружения тёмной материи. Но каждый последующий результат, казалось, указывал в новом направлении. Неудивительно, что свой доклад он начинает, слегка перефразируя «Большого Лебовски»: «Мы нигилисты, мы ничему не верим».

«Последние несколько лет кажется, что мы гоняемся за собственным хвостом», – сказал Колар в интервью.

Хорошие новости в том, что возможно, что-то снова наклёвывается. Физики видят знаки в небесах и глубоко под землёй, и ищут другие признаки в Большом адронном коллайдере, который тоже участвует в охоте на тёмную материю. Шёпот о тёмной материи становится громче, и несколько сигналов, по-видимому, начинают сходиться. Плохие новости в том, что эти намёки до сих пор не согласуются, а каждый из них слишком ненадёжен, как говорит Кэтрин Цюрек Zurek из Мичиганского университета. Многие физики скептически относятся к тому, что признаки тёмной материи вообще можно найти. Некоторые вообще увлекаются нигилизмом, как Колар, сказавший: «Сложно не быть нигилистом с учётом того, как развиваются события».

Загадочная материя

Обычная видимая материя – планеты, звёзды, галактики, всё остальное – составляет всего 4,9% из всего, что есть во Вселенной. Большая её часть, 68,3%, состоит из тёмной энергии, ответственной за ускоряющееся расширение космоса. Остаток – 26,8% — состоит из тёмной материи.

Если физики и не знают точно, что такое тёмная материя, то в её существовании они уверены. Понятие возникло в 1933 году, когда Фриц Цвики проанализировал скорости галактик в одном скоплении и пришёл к выводу, что гравитационное притяжение, оказываемое видимой материей, не может удержать галактики, движущиеся с большими скоростями, от убегания из скопления. Десятилетия спустя Вера Рубин и Кент Форд нашли ещё одно доказательство «тёмной материи» Цвики, наблюдая за звёздами, вращающимися на краю галактик. Звёзды должны были двигаться тем медленнее, чем дальше они отстоят от центра галактик, так же, как внешние планеты нашей Солнечной системы медленнее двигаются вокруг Солнца. Вместо этого внешние звёзды двигались так же быстро, как звёзды, находившиеся ближе к центру, но при этом галактики не распадались. Что-то дополняло гравитационное притяжение.

Тёмная материя не была единственным объяснением. Возможно, требовалось исправить эйнштейновскую модель гравитации. Было предложено много альтернативных моделей, таких, как MOND (модифицированная ньютоновская динамика). Рубин и сама когда-то склонялась к этому, и говорила в интервью New Scientist в 2005 году, что «это было более привлекательным вариантом, чем Вселенная, заполненная новым типом субъядерных частиц».

Но природе побоку наши эстетические предпочтения. В 2006 году поразительное изображение скопления Пуля (1E 0657-56) поставило точку в этом вопросе. На нём было видно два скопления галактик, проходивших друг сквозь друга, и их газы, сталкиваясь, создавали ударную волну в виде пули. Результаты анализа оказались удивительными: горячий газ (обычная материя), скопился в более плотные образования в центре, где происходило столкновение, а с другой стороны скапливалось то, что могло быть только тёмной материей. При столкновении скоплений тёмная материя прошла насквозь, поскольку она очень редко взаимодействует с обычной материей.

«Думаю, что на данном этапе мы можем быть уверенными в существовании тёмной материи», – говорит Дэн Хупер, физик из Чикагского университета. «Насколько я знаю, ни одна модифицированная теория гравитации этого не объясняет».

Один ведущий кандидат на частицы тёмной материи – класс слабо взаимодействующих массивных частиц, WIMP, похожий на ещё одну субатомную частицу, нейтрино, которая также редко взаимодействует с другой материей. После открытия бозона Хиггса закончилась одна эра физики частиц, и внимание общественности передвигается к новому крупному открытию. Космолог Майкл Тёрнер из Чикагского университета рассказал, что он считает эту декаду декадой WIMP.

Сигнал/шум

Большинство теоретиков изначально склонялись к варианту с тяжёлыми WIMP, и считало, что тёмная материя состоит из частиц массой порядка 100 ГэВ. Массы субатомных частиц измеряются в единицах массы-энергии, электрон-вольтах. К примеру, масса протона равна 1 ГэВ. Но последние доказательства вроде бы поддерживают вариант лёгких частиц, в котором их масса находится в промежутке от 7 до 10 ГэВ. Из-за этого зарегистрировать их напрямую сложно, поскольку многие эксперименты полагаются на измерение отдачи ядра.

Такие эксперименты обычно проводятся глубоко под землёй – чтобы лучше отфильтровывать космические лучи, которые легко можно спутать с сигналами тёмной материи. В них участвует детектор с тщательно выбранным целевым материалом, например, германием или кремниевыми кристаллами, или же жидким ксеноном. Затем физики ждут редких случаев столкновения частиц тёмной материи и ядер атомов целевого материала. Это должно привести к появлению вспышек света, и если они будут достаточно яркие, их запишет детектор.

А это означает, что для обнаружения частицы тёмной материи она должна нести достаточно энергии для того, чтобы при столкновении с ядром выдать сигнал, превышающий порог чувствительности детектора. И лёгкие WIMP сделают это с меньшей вероятностью. Нил Вейнер из Нью-Йоркского университета говорит, что разница в сценариях WIMP такая же, как разница между столкновениями двух шаров для боулинга и шарика для пинг-понга с шаром для боулинга. «Кинетически тяжёлой частице гораздо легче переносить такую энергию, чем лёгкой», – говорит он.

Как физики ищут тёмную материю Смотрят на всплески в собранных детекторами данных. Сила сигнала определяется количеством стандартных статистических отклонений, или сигм, от ожидаемого фонового значения. Эта метрика часто сравнивается с монеткой, выпадающей решкой несколько раз подряд. Результат в три сигмы – уже серьёзный намёк, эквивалентный выпадению монеты одной стороной девять раз подряд.

Многие такие сигналы ослабляются или исчезают, переходя в разряд статистически менее важных с появлением новых данных. Золотой стандарт открытия – пять сигм, эквивалент впадения 21 решек подряд. Если несколько человек одновременно подкидывают монеты, и у всех выпадает решка несколько раз подряд – или же несколько экспериментов находят сигнал в три сигмы в одном массовом промежутке – даже маловероятный результат становится возможным.

Некоторые из намёков на тёмную материю находятся в хитрой области 2,8 сигм. «Все эти многообещающие результаты могут оказаться отвергнутыми за неделю, – сказал Мэтью Бакли из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб). – Но такие вещи всегда начинаются с намёков. Когда вы собираете больше данных, намёк становится статистически более значимым».

Фоновый шум усложняет задачу. «Вы ищете „сигнал“. „Фон“ – это всё остальное, что напоминает ваш сигнал и затрудняет его поиски», – писал Мэтью Страслер, физик из Ратгерского университета, в блоге в июле 2011 года. Позже он добавлял: «Если не учесть небольшой фон, то это обычно вылезет в виде дополнительных низкоэнергетических столкновений, которые будут очень напоминать лёгкие WIMP. Иначе говоря, лёгкая тёмная материя выглядит так же, как ошибочный сигнал».

Страслер сравнил задачу с попыткой найти группу людей в заполненной людьми комнате. Если ваши друзья будут носить одинаковые ярко-красные пиджаки, а все остальные – одежду других цветов, найти сигнал будет легко. Если другие люди также будут носить ярко-красные пиджаки, то случайные скопления незнакомцев будут скрывать сигнал. Представьте, что вы неправильно оценили количество людей в красных пиджаках, или даже что вы дальтоник. В любом из этих случаев вы сделаете неправильный вывод: что вы нашли ваших друзей, когда на самом деле сигналом окажется случайное скопление незнакомцев.

Доказательства на сегодня

Несмотря на эти задачи, различные эксперименты привели к некоторым многообещающим, хотя и противоречивым, результатам. Более десяти лет назад эксперимент DAMA/LIBRA (поиски тёмной материи при помощи детектора на иодиде калия с добавлением таллия), расположенный в глубине горы Гран-Сассо-д’Италия в центральной Италии, обнаружил небольшие флуктуации в количестве столкновений за год. Группа учёных заявляла, что обнаружила частицу тёмной материи в виде лёгкой WIMP массой около 10 ГэВ.

Другие физики высказали серьёзные сомнения. Хотя сигнал у DAMA/LIBRA действительно был, он мог оказаться свидетельством чего-то другого. Не помог и тот факт, что в другом эксперименте, XENON10, расположенном в недрах той же горы, так и не получилось обнаружить сигнал в том же энергетическом промежутке. То же случилось с экспериментом CDMSII, проводившемся в глубокой шахте в г.Судан, штат Миннесота. Оба последних эксперимента были достаточно чувствительными для того, чтобы обнаружить сигнал такой энергии, если результат DAMA/LIBRA действительно относился бы к тёмной энергии.

Другой эксперимент, CRESST, зафиксировал сигнал. Но он не полностью соответствовал сигналу с DAMA/LIBRA, и его анализ не смог учесть все возможные фоновые шумы, которые могли бы эмулировать нужный сигнал. Кроме того, DAMA/LIBRA вызвал раздражение учёных, отказавшись поделиться полученными данными с общественностью, с тем, чтобы их могли изучить другие.

При обсуждении различий между экспериментами часто кипят страсти. «Бывает, что делаешь доклад по поводу тёмной материи, и всё заканчивается дракой», – говорит Бакли.

Но результат итальянской группы учёных оказался довольно устойчивым. Колар, вместе с другими ярыми критиками, решили доказать ошибочность открытий DAMA/LIBRA, организовав свой эксперимент, названный CoGeNT. В 2011 году этот план развалился, поскольку предварительный анализ данных CoGeNT подтвердил результаты.

«Мы построили CoGeNT с намерением разоблачить DAMA, и теперь вдруг застряли в том же пространстве параметров», – говорит Колар. Однако из-за пожара в шахте Судана, в которой проходил эксперимент, изначальные открытия получены с данных, охватывающих период длиной всего в 15 месяцев. И они показывают ещё один сигнал в 2,8 сигм. Сейчас команда Колара анализирует данные, полученные за все три с половиной года эксперимента, что должно усилить этот сигнал – если он реален.

Сомнения никуда не делись. Результаты с CDMSII показывают три события из того же района в 10 ГэВ. За два года до этого на CDMSII было зарегистрировано два события, похожих на тёмную материю, но после тщательного анализа их отбросили. На этот раз «у нас было три чётких события», – говорит Цюрек.

«Если бы кто-то увидел тёмную материю, то выглядела бы она именно так», – говорит она. Но из-за того, что они всё ещё находятся на рубеже в 2,8 сигм, «никто не поверит, что три этих события произошли из-за тёмной материи, пока это не увидит кто-нибудь ещё». Последнее свидетельство уже побудило физиков с XENON10 пересмотреть их анализ, и заключить, что они ошибочно отклонили намёки на лёгкие WIMP, обнаруженные на DAMA/LIBRA.

Внезапно вариант лёгких WIMP оказывается хотя бы вероятным, и подкрепляется выполненным Хупером анализом гамма-лучей, испущенных из центра нашего Млечного пути, демонстрирующим намёки на сигнал тёмной материи, соответствующий варианту в 10 ГэВ.

Но это не единственный вариант. WIMP без интересной динамики – какой бы массы они ни были – всего лишь самый простой вариант тёмной материи. Может существовать несколько типов частиц тёмной материи, с разными типами взаимодействий через тёмные силы, составляющие целый «тёмный сектор» Вселенной, который теоретики только начинают исследовать. Вейнер считает, что модели с тёмной силой – «самый прямолинейный способ объяснить некоторые из этих аномалий», но предупреждает, что до опытной демонстрации ещё далеко. Цюрек соглашается: «В принципе мы можем записать сколько угодно теорий, но природе нужно будет выбрать только одну», – говорит она.

Когда же мы сможем узнать, реальны ли все эти намёки Может быть, в течение года, может быть, ждать придётся гораздо дольше. Однако физики, пытающиеся найти тёмную материю, вскоре могут наткнуться на более прагматичные ограничения: сокращение бюджета. Для поисков важно разнообразие экспериментов. «Поскольку мы не знаем, по какой физике частиц тёмная материя взаимодействует с нормальной, несколько разных экспериментов минимизируют шансы пропустить тёмную материю из-за неправильного выбора, и если в нескольких экспериментах что-то обнаружится, можно будет отбрасывать теоретические модели гораздо быстрее», – сказал Бакли. Однако все эксперименты обязаны докладывать о результатах департаменту энергии США, и выжить сумеют только 2-3 из них.

«Департамент наводит порядок, – говорит Колар. – Разнообразие – это хорошо, но количество денег ограничено. Если строящиеся детекторы не принесут результатов, будет очень сложно найти мотивацию для продолжения».

Примечание переводчика; со времени написания оригинальной статьи:

• Детектор CRESST в 2015 году обновили, увеличив чувствительность в 100 раз так, что он теперь способен обнаруживать частицы тёмной материи с массой, примерно равной массе протона. Ему на смену готовится эксперимент European Underground Rare Event Calorimeter Array (EURECA).
• Детектор CDMSII сменили детектором следующего поколения SuperCDMS
• Результаты эксперимента CoGeNT обработали, и пришли к выводу, что полученные сигналы, принятые за WIMP, были неучтённым фоновым шумом.
• Детектор XENON10 в 2016 году заменили более чувствительным XENON1T, увеличив чувствительность в 100 раз.
• Для воспроизведения результатов датчика DAMA/LIBRA в Австралии строится подземный датчик Stawell Underground Physics Laboratory (SUPL).
• На февраль 2017 года не получено ни одного убедительного доказательства обнаружения частиц тёмной материи.