Как ученые ищут темную материю в недрах Земли
Сотни миллионов лет назад минералы под земной поверхностью могли сохранять в себе следы загадочного вещества. Осталось только до них добраться.
Больше двух десятков подземных лабораторий, разбросанных по всему миру, заняты поиском темной материи. С годами эксперименты по обнаружению таинственного вещества, из которого, как считается, Вселенная состоит на 84%, становятся все сложнее, но зато критерии поиска постепенно сужаются, пишет Quanta Magazine.
Из видимой материи состоят звезды, галактики, люди, собаки и все остальное, а увидеть темную материю не удается. Все, что мы знаем о ней - это то, что она не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Это свойство, скорее всего, и затрудняет прямое наблюдение темной материи. Тем не менее физики уверены, что она оказывает колоссальное влияние на галактики.
Докопаться
В течение нескольких десятилетий предпочтительными кандидатами на основу, из которой состоит темная материя, были вимпы (WIMP) - гипотетические слабо-взаимодействующие массивные частицы. Большинство экспериментов, пытающихся засечь вимпы, пытаются определить присутствие частиц по их влиянию на обычную материю. Условно говоря, вимпы должны взаимодействовать с ядрами атомов, применяя к ним слабую силу. Это воздействие заставляет ядро атома отскочить и испустить звуковую волну или световую вспышку. Сложность в том, что обнаружение вимпов требует высокочувствительных инструментов, которые, находясь на поверхности, страдают от космических лучей - они вносят помехи в данные.
Именно поэтому команда физиков из Польши, Швеции и США предполагает, что в поисках темной материи и ее спутников мы должны отправиться вглубь Земли. В земной коре отложилось прошлое всей Солнечной системы. По всей видимости, в окаменелостях можно найти следы реакции атомных ядер на вимпы.
Как рассказывает физик из Мичиганского университета Кэтрин Фриз, подземный палеодетектор будет работать аналогично установкам прямого обнаружения, расположенным на поверхности. Разница лишь в том, что для работы вторых всегда требуется большой объем жидкости или металла - нужны атомы, чтобы следить за реакцией ядер на возможное появление вимпов. Под поверхностью можно просто искать окаменелые следы вимпов, врезавшихся в атомные ядра различных минералов. Если ядро атома отскочило от частиц темной материи с достаточной энергией и если эти возмущенные атомы находятся глубоко под землей (то есть в сохранности), то у ученых появляется шанс воссоздать трек, по которому двигались вимпы. Дальше исследователи могут откопать камни, отслаивать нужные сегменты (чтобы добраться до конкретного периода в истории планеты) и по ним исследовать давние события в Солнечной системе.
Анализ земной коры
Кэтрин Фриз работает вместе с Анджеем Друкером, физиком из Стокгольмского университета, который изучает способы обнаружения темной материи.
В 2015 году Друкер отправился в Новосибирск, чтобы поработать над прототипом биологического детектора, который будет размещен под земной поверхностью. По всей видимости, в город его привели новости о другой команде ученых, заинтересованных в поиске темной материи. Сотрудники Института ядерной физики СО РАН начали разработку собственного криогенного детектора вимпов на основе сжиженных газов и ксенона. К 2018 году ученые нашли способ увеличить точность работы устройства, первые результаты эксперимента должны появиться к 2023-2025 годам.
В России Друкер узнал о скважинах, пробуренных еще во времена холодной войны. Глубина некоторых из них достигала 12 километров, что идеально для экспериментов по поиску темной материи. Минералы в земной коре, хотя и относительно малы и менее чувствительны к взаимодействию вимпов, тоже ведут своеобразный поиск. "Фрагментам минералов, извлеченным из очень глубоких пород Земли, может быть не меньше миллиарда лет", - рассказывает Друкер. Ученый объясняет, что чем глубже вы копаете, тем старше породы находите. По сути, сама планета все эти миллионы лет была детектором, который записал свои данные в камне.
Впрочем, Земля тоже полна неожиданных сюрпризов, вносящих беспорядок в работу ученых. Простейший пример - недра планеты богаты радиоактивным ураном, который постоянно производит нейтроны по мере своего распада. Проблема в том, что эти нейтроны тоже могут выбивать ядра атомов минералов, как это делают вимпы. По словам Фриз, первоначальный проект детектора не учитывал распад ядер урана, что сводило эффективность и объективность устройства на нет. Команда ученых потратила два месяца на то, чтобы изучить тысячи минералов и найти те, которые гарантированно изолированы от последствий распада урана. Это исследование помогло выбрать морские эвапориты (кристаллические породы, образованные по мере того, как морская вода благодаря испарению становилась все более и более соленой) в качестве основной цели для палеодетекторов. Кроме того, ученые продолжают поиск минералов с высоким содержанием водорода, потому что этот элемент эффективно блокирует нейтроны, возникающие при распаде урана.
Риски
Участие в работах по добыче минералов будет нелегким. Для анализа данных понадобится самая современная нановизуализация, которая выявит доказательства вмешательства вимпов в движение ядер. По словам Трейси Слатьер, физика-теоретика из Массачусетского технологического института, палеодетекторам будет по-настоящему непросто определить, что след в минерале остался именно от темной материи, а не от нейтронов урана, нейтрино от Солнца или чего-то еще.
"Это неконтролируемая система. Это не лаборатория. Никто не знает точную историю месторождений в земной коре. Перепроверка всех полученных данных займет слишком много времени", - критикует подход коллег Слатьер.
Друкер и Фриз уверены, что сила палеодетекторов будет заключаться в чистых цифрах. Порода в глубинах Земли содержит множество минералов, каждый с собственными атомными ядрами, которые по-разному отскакивают от вмешательства вимпов - разные минералы будут работать как индивидуальные детекторы. Анализ всех полученных данных позволит сделать вывод о спектре отдачи ядер, столкнувшихся с темной материей. Этот спектр даст шанс оценить массу вимпов. В будущем палеодетекторы могут предоставить запись перемещений вимпов на протяжении истории Земли - точно так же, как окаменелости помогают палеонтологам реконструировать историю жизни на планете.
По мнению Слатьера, такой отчет также даст сведения о гало (светящееся кольцо вокруг источника света) Млечного Пути, состоящем из темной материи. Это гало - облако из невидимого вещества, через которое проплывает Солнечная система, пока она описывает орбиту вокруг центра нашей Галактики. Весь процесс занимает около 250 млн лет.
"Найдем ли мы темную материю? Лично я ищу ее уже 35 лет. Теперь я иду на самый сложный эксперимент в истории человечества, который может обернуться неудачей. Но это круто", - уверен Друкер.
Никита Соколов http://www.sib-science.info/ru/institutes/eksperiment-v-istorii-kak-25012019