Головна / Наука / Темну матерію треба шукати в надрах Землі

Темну матерію треба шукати в надрах Землі

Майже у двох десятках підземних лабораторій, розкиданих по всьому світу, заставлених чанами з рідиною або блоками з металу і напівпровідників, вчені шукають сліди темної матерії. Їх експерименти стають все складніше і складніше, а пошук проходить всі точніше, але поки ніхто не знайшов прямих доказів існування таємничої субстанції, з якої складається 84% всієї матерії у Всесвіті. Згідно з новим дослідженням, ми повинні дивитися в корінь, тобто ще глибше.

Темна матерія відрізняється від звичайної баріонної матерії — речовини, з якої складаються зірки, галактики, собаки, люди і все інше — тим, що не взаємодіє ні з чим іншим, крім як через гравітацію (і, можливо, слабку ядерну силу). Ми цього не бачимо, але фізики майже впевнені, що вона існує і як скульптор ліпить галактики на їх шляху через космос.

Протягом багатьох десятиліть кращими кандидатами на частинки темної матерії були гіпотетичні скромні частинки — «вімпи» (WIMP), або слабо взаємодіючі масивні частинки. Багато експериментів намагаються знайти вімпи по слідах їх зіткнення зі звичайною речовиною. У такому сценарії wimp повинен торкнутися атомного ядра за допомогою слабкої сили. Перелякане ядро відскочить і випустить енергію в деякій формі, спалах світла або звукову хвилю. Виявлення таких ледь помітних явищ вимагає чутливих інструментів, які зазвичай закладаються глибоко під землю. В основному це відбувається тому, що інструменти будуть захищені від космічних променів, які можуть викликати реакцію ядер.

Після десятирічних пошуків цих слабких сигналів, вчені практично нічого не знайшли. І ось, команда фізиків з Польщі, Швеції та США запропонувала іншу ідею. Вони вважають, що потрібно дивитися не на германій, ксенон і сцинтилятори в детекторах під земною корою. Вони вважають, що потрібно дивитися на саму земну кору. У літописах порід, де записуються і покриваються шарами історії нашої Сонячної системи, ми могли б знайти скам’янілі записи потривожених атомних ядер, заморожені сліди WIMPів.

«Ми завжди шукаємо альтернативні підходи», говорить Кетрін Фриз, фізик-теоретик з Мічиганського університету і розробник ідей, які лягли в основу існуючих детекторів.

Підземний палеодетектор буде працювати аналогічно сучасним методам прямого виявлення. Замість того, щоб оснащувати лабораторію з великим об’ємом рідини або металу для спостереження спалахів WIMP в реальному часі, можна пошукати скам’янілі сліди WIMP, які врізаються в атомні ядра. Деякі класи мінералів могли б зафіксувати такі сліди.

Якщо ядро відскакує з достатньою енергією, і якщо обурені атоми потім виявляються глибоко під землею (щоб захистити зразок від космічних променів, які можуть заплутати дані), слід відскоку може бути збережений. Якщо так, то вчені можуть розкопати камінь, розібрати його по верствах часу і досліджувати події минулого, використовуючи складні методи нановізуалізації, начебто атомно-силової мікроскопії. Кінцевим результатом буде слід скам’янілості: слід зауропода під час його втечі від хижака, тільки в термінології темної матерії.

Крихітні сліди

Близько п’яти років тому Фриз почала шукати ідеї для нових типів детекторів разом з Анджеєм Друкієром, фізиком зі Стокгольмського університету, який почав свою кар’єру з вивчення виявлення темної матерії, перш ніж зайнятися біофізикою. Одна з їх ідей, розроблена разом з біологом Джорджем Черчем, стосувалася детекторів темної матерії, заснованих на ДНК і реакціях ферментів.

У 2015 році Друкієр відправився в російський Новосибірськ, щоб попрацювати над прототипом біологічного детектора, який буде розміщений під земною поверхнею. У Росії він дізнався про свердловини, пробурені під час холодної війни, деякі з яких йдуть на 12 кілометрів вниз. Ніякі космічні промені не можуть проникнути так далеко. Друкієр був заінтригований.

Звичайні детектори темної матерії відносно великі і дуже чутливі до раптових подій. Вони проводять свої пошуки протягом декількох років, але здебільшого шукають сигнали WIMP в реальному часі. Мінерали, хоч і відносно невеликі, і менш чутливі до взаємодії, можуть уособлювати пошук, який тривав сотні мільйонів років.

«Цим шматкам порід, витягнутих з дуже, дуже глибоких кернів, практично мільярд років», говорить Друкієр. «Чим глибше йдеш, тим вони давніші. Не потрібно будувати детектор. Детектор вже є, в землі».

Але у землі є свої проблеми. Планета сповнена радіоактивного урану, який виробляє нейтрони по мірі розпаду. Ці нейтрони також можуть вибивати ядра. Фриз каже, що первісна робота вчених, що описує палеодетектори, не враховувала шум, який створюється розпадом урану, але безліч коментарів інших зацікавлених вчених змусили їх повернутися і переглянути документ. Команда провела два місяці, вивчаючи тисячі мінералів, щоб зрозуміти, які з них ізольовані від розпаду урану. Вони стверджують, що найкращі палеодетектори будуть складатися з морських евапоритів — по суті, кам’яної солі — чи порід, що містять дуже мало кремнезему, які називаються ультраосновными породами. Крім того, вони шукають мінерали, що містять багато водню, оскільки водень ефективно блокує нейтрони, які виникають при розпаді урану.

Пошук слідів у ґрунті може привести нас до маломасивних вімпів, вважає Трейс Слатьер, фізик-теоретик з Массачусетського технологічного інституту, яка не брала участі в дослідженнях.

«Ви шукаєте ядро, яке начебто безпричинно стрибає, але воно повинно підстрибнути на певну величину, щоб його помітили. Якщо м’ячик для пінг-понгу зіткнеться з кулею для боулінгу, ви не помітите особливого зміщення останнього — якщо тільки у вас немає можливості зареєструвати найдрібніші зміни в русі кулі для боулінгу».

Найскладніший експеримент

Робота в польових умовах буде непростою. Дослідження повинні будуть проводитися глибоко під землею, де зразки керна будуть захищені від космічного та сонячного випромінювання. І для виявлення свідоцтв розштовханих ядер знадобляться сучасні методи нановізуалізації.

За словами Слатєр, навіть якщо WIMP залишить помітний шрам, основною проблемою палеодетекторів буде доказ того, що викопні сліди дійсно народжені частинками темної матерії. Дослідникам доведеться витратити багато часу, щоб переконати себе, що взаємодії з ядрами — це не робота нейтронів, нейтрино Сонця або чогось ще.

«Доведеться опуститися досить глибоко, щоб захиститися від космічних променів. Але це не лабораторія. Це не контрольовані умови. Ви можете не знати повної історії кам’яних відкладень. Навіть якщо ви виявите у них сигнал, доведеться виконати набагато більше роботи, щоб переконатися, що ви не бачите якийсь фон».

Друкієр та Фриз вважають, що сила палеодетекторів може полягати в цифрах. Порода містить безліч мінералів, кожен з яких містить атомні ядра, які по-різному відскакують від мародерства вімпів. Тому різні елементи будуть служити різними детекторами, але всі вони будуть укладені в один зразок керна. В майбутньому палеодетектор міг би навіть надати записи про вімпи у часі, точно так само, як скам’янілості дозволяють палеонтологам реконструювати історію життя на Землі.

На думку Слатєр, довгий літопис міг би запропонувати унікальний погляд на гало темної матерії Чумацького Шляху, хмари невидимого матеріалу, через який пропливає Земля, коли сонячна система робить свій рух по орбіті в 250 мільйонів років навколо центру галактики. Розуміння розподілу гало темної матерії Чумацького Шляху може дати уявлення про її фізичну поведінку, каже Слатєр. Можливо, це також продемонструє, чи може темна матерія взаємодіяти способами, які виходять за межі гравітації.

«Саме тут теорія і моделювання знаходяться у стадії активного розвитку», говорить вона. «Чи знайдемо ми темну матерію», запитує Друкієр. «Я провів тридцять п’ять років в її пошуках. Напевно, це найскладніший експеримент у світі, тому нам може не пощастити. Але це круто».