Где-то здесь должна прятаться темная материя. Фото NASA

Накануне Нового года четвертый канал Би-би-си, ориентированный на англоязычных слушателей, организовал серию передач под названием Light and Dark («Свет и тьма»), где в центре внимания было выступление специалиста по проблемам темной материи профессора Джима Аль-Халили.

«Мощное публичное освещение открытия бозона Хиггса привело многих к убеждению в том, что, дескать, наконец мы раскрыли последний блок наших фундаментальных знаний реальной действительности, – подчеркнул Аль-Халили. – Но это далеко не так. Многие будут шокированы услышать, что, к сожалению, пока мы знаем лишь 5% того, из чего состоит наша Вселенная, а остальные 95% – для нас пока закрытая тайна». 

 Приманка для вимпов 

 «Поиски темной материи приближаются к финальной стадии». 20 октября 2013 года с таким заявлением выступил один из крупных специалистов по dark matter, профессор Лондонского университета Чамкаур Гхаг. Профессор Гхаг – участник коллаборации Large Underground Xenon (LUX, «Большой подземный ксенон»), новейшего экспериментального проекта США. Он подчеркнул, что хотя этот самый чувствительный в мире детектор, предназначенный для выявления существования темной материи, пока еще не обнаружил каких-либо явных признаков этого загадочного вещества, тем не менее трехмесячный период испытания оставил явно оптимистические ноты для продолжения более глубоких исследований в предстоящем 2014 году. Участники коллаборации попеременно в течение 300 дней будут находиться в лаборатории на глубине 1600 метров под землей, где установлено оборудование LUX. 

 

 Ученые исходят из того, что темная материя, составляющая основную массу метагалактики, состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Миллионы «вимпов» ежесекундно проходят сквозь нас и мимо нас, не оставляя никаких следов, поскольку, в отличие от субатомных частиц, они не имеют электрического заряда и «не подчиняются» никаким законам электромагнитных колебаний любого диапазона. Причем, как полагают ученые, количество «вимпов» во Вселенной в пять-шесть раз больше частиц обычной барионной материи, то есть протонов, электронов, нейтронов… 

 

 

 Другая немаловажная проблема заключается в том, что пока никто не знает хотя бы примерную массу предполагаемых частиц ТМ: здесь огромный диапазон предположений – от 10 до 100 ГэВ и, возможно, даже больше. Многие считают, что масса «вимпов» в 100–150 раз превышает массу протона. В LUX в качестве «приманки вимпов» привлечен ксенон, атом которого примерно в 130 раз превышает массу протона – стало быть, поиск направлен на «захват» тяжелых «вимпов». Впрочем, это отнюдь не означает, что LUX не сможет «принять» и легкие «вимпы», если они там появятся. 

 Более того, как заявил другой участник проекта LUX, доктор Ричард Гейтскелл из Браунского университета, чувствительность детектора LUX к тяжелым «вимпам» в два раза превышает чувствительность детектора любой другой коллаборации; для легких «вимпов» это превосходство составляет почти 20 раз. В таком же духе высказался и ядерный физик из Йельского университета доктор Макканзи: «На начальном этапе нам нужно было выяснить потенциальные возможности нашего сверхчувствительного детектора и исключить неперспективные направления проекта, что  нам удалось сделать без особого труда». 

 

 

 Существенно и то, что если участникам проекта LUX в ближайшее время не удастся выйти на точный след ТМ, то у коллаборации имеется запасной вариант – они очень скоро планируют запустить еще более крупный проект с гораздо более чувствительным детектором LUX-ZEPLIN. А уж если и после этого не удастся со всей убедительностью обнаружить искомые частицы темной материи, то физикам придется признать нынешнюю концепцию о темной материи ошибочной и искать другую, более всеобъемлющую теорию. 

 

 Установка представляет собой металлический цилиндр длиною всего 4 м. Что в него будет вложено и как будет происходить сам эксперимент, пока не раскрывается. Место нахождения установки – Центр экспериментальной ядерной физики и астрофизики Вашингтонского университета. Цель – поиски гипотетической нейтральной частицы аксион, которая, согласно теории квантовой хромодинамики, должна быть чрезвычайно легкой (около 10 эВ). По предположениям ученых, именно аксионы должны составлять существенную часть холодной темной материи, чья гравитационная сила удерживает галактики от распада.

 

 

 

 На ежегодном конгрессе Американского физического общества, состоявшемся в апреле 2013 года в Денвере (штат Колорадо), ученые обнародовали предварительные результаты экспериментов по поискам темного вещества, проведенных за последние годы в криогенной подземной лаборатории в штате Миннесота. 

 

 

 Европейцы активно работают в двух основных плоскостях: под землей, в рамках программы БАК, и в космосе, где космический близнец БАК альфа-магнитный спектрометр (АМС), находящийся на борту МКС, с конца 2011 года, изучая космические частицы высокой энергии, целенаправленно отслеживает признаки проявления частиц темного вещества. На этом проекте надо более подробно остановиться. 

 В опубликованной коллаборацией АМС в апрельском номере журнала Physical Review Letters статье утверждается, что детекторы этого космического телескопа, возможно, зафиксировали признаки взаимодействия темного вещества в спектре высоких энергий. Детекторы АМС круглосуточно фиксируют частицы космических лучей до их столкновения с атмосферой Земли. Причем главной целью является выявление из этого огромного массива частиц темного вещества. 

 Детекторы АМС с большой точностью фиксируют число электронов и позитронов, проходящих через них космических лучей высокой энергии с привязкой к определенному периоду. В публикации особо выделяется необычный эпизод времени, если так можно выразиться, когда привычное соотношение между электронами и протонами заметно изменилось по сравнению с предыдущим периодом. Зафиксировано заметное снижение числа протонов, что, по мнению исследователей, возможно, свидетельствует об аннигиляции темного вещества. 

 Безусловно, АМС для сообщества европейских ученых – одно из главных направлений по поискам темного вещества. Как уже отмечалось, ведутся работы в подземных лабораториях, где детекторы вылавливают космические частицы, пропуская их через ксенон или аргон. Но самые большие надежды ученые возлагают на БАК, где предполагают на каком-то этапе осуществить искусственное производство частиц темного вещества. 

 

 Темнее некуда 

 Безусловное превосходство европейской науки в открытии фундаментальной частицы Стандартной модели бозона Хиггса, как в теоретическом обосновании (что было отмечено Нобелевской премией 2013 года двух европейских ученых), так и в подтверждении этого в экспериментах на БАК, видимо, подтолкнет американское научное сообщество занять доминирующие позиции в поисках темной материи. Цель – заложить фундаментальные основы в создании Стандартной модели космологии (СМК). 

Это чем-то напоминает советско-американское соперничество в космосе в середине ХХ века, когда американские власти в интересах политического престижа и доказательства экономической мощи страны пошли на создание многомиллиардной программы по высадке первого человека на Луну. Что в конечном счете привело к американскому превосходству в космосе на долгие годы. Впрочем, темная материя манит не только американцев и европейцев. По мнению президента Академии наук КНР Лу Юнсяна, Китай должен внести свой весомый вклад в осуществление прорыва в познании Вселенной. С этой целью КНР планирует разработку современной аппаратуры для изучения темной материи и темной энергии, детекторов элементарных частиц в космосе и глубоко под землей, будут также построены для этих же целей несколько крупных телескопов в Антарктиде. 

Получит ли нынешнее американское научное сообщество такую же поддержку от своего руководства в условиях продолжающегося финансово-экономического кризиса – остается под вопросом. В частности, о позитивном тренде можно будет судить, когда NASA удастся завершить проект по строительству мощного космического телескопа James Webb Space Telescope (JWST), главная цель которого – увидеть «первый свет» во Вселенной. Это, надо полагать, будет способствовать и раскрытию тайны темной материи и, возможно, даже темной энергии.