Кращим місцем для пошуку темної матерії можуть бути надра Землі

Майже в 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 все 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 баріонівматерії - речовини, з якого складаються зірки, галактики, собаки, люди і все інше - тим, що не взаємодіє ні з чим ніяк, 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 десятилітьпереважними кандидатами на частинки темної матерії були гіпотетичні скромні частки - «вімпи» (WIMP), або слабо взаємодіють масивні частинки. Багато експерименти намагаються знайти вімпи слідами їх зіткнення із звичайною речовиною. У такому сценарії вімпами повинен торкнутися атомного ядра за допомогою слабкої сили. Перелякана 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 також 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 WIMPов.

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

Підземний палеодетектор буде працювати аналогічносучасним 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, що врізаються в атомні ядра. Деякі класи мінералів могли б зафіксувати такі сліди.

Якщо ядро ​​відскакує з достатньою енергією, іякщо 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 верствам часу і досліджувати події минулого, використовуючи складні методи нановізуалізаціі, 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 длянових типів детекторів разом з Анджеєм Друкіером, фізиком зі Стокгольмського університету, який почав свою кар'єру з вивчення виявлення темної матерії, перш ніж зайнятися біофізики. Одна з їхніх ідей, розроблена разом з біологом Джорджем Черчем, стосувалася детекторів темної матерії, заснованих на ДНК і реакціях ферментів.

У 2015 році Друкіер відправився в російськийНовосибірськ, щоб попрацювати над прототипом біологічного детектора, який буде розміщений під земною поверхнею. У Росії він дізнався про свердловинах, пробурених під час холодної війни, деякі з яких сягають на 12 кілометрів вниз. Ніякі космічні промені не можуть проникнути так далеко. Друкіер був заінтригований.

Звичайні детектори темної матерії щодовеликі 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 шматках порід, добутих з дуже, дужеглибоких кернів, практично мільярд років », говорить Друкіер. «Чим глибше йдеш, тим вони старше. Не потрібно будувати детектор. Детектор вже є, в землі ».

Але у землі є свої проблеми. Планета сповнена радіоактивного урану, який виробляє нейтрони в міру 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 кращі палеодетектори будуть складатися з морських евапоритів - по суті, кам'яної солі - або порід, що містять дуже мало кремнезему, які називаються ультраосновнимі породами. Крім того, вони шукають мінерали, що містять багато водню, оскільки водень ефективно блокує нейтрони, що виникають при розпаді урану.

Пошук слідів в грунті може призвести нас до маломасивних вімпами, вважає Трейс Слатьер, фізик-теоретик з Массачусетського технологічного інституту, яка не брала участі в дослідженнях.

«Ви шукаєте ядро, яке начебто безпричиннострибає, але воно повинно підстрибнути на певну величину, щоб його помітили. Якщо м'ячик для пінг-понгу зіткнеться з кулею для боулінгу, ви не помітите особливої ​​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 і сонячного випромінювання. І для виявлення свідчень розштовхати ядер будуть потрібні сучасні методи нановізуалізаціі.

За словами Слатьер, навіть якщо WIMP залишить видимийшрам, основною проблемою палеодетекторов буде доказ того, що копалини 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, щобзахиститися від космічних променів. Але це не лабораторія. Це не контрольовані умови. Ви можете не знати всієї історії кам'яних відкладень. Навіть якщо ви виявите в них сигнал, доведеться виконати набагато більше роботи, щоб переконатися, що ви не бачите якийсь фон ».

Друкіер і Фриз вважають, що сила палеодетекторовможе 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 вімпами в часі, точно так же, як скам'янілості дозволяють палеонтологам реконструювати історію життя на Землі.

На думку Слатьер, довга літопис могла бзапропонувати унікальний погляд на гало темної матерії Чумацького Шляху, хмару невидимого матеріалу, через яке пропливає Земля, коли сонячна система здійснює свій рух по орбіті в 250 мільйонів років навколо центру галактики. Розуміння розподілу гало темної матерії Чумацького Шляху може дати уявлення про його фізичному поведінці, говорить Слатьер. Можливо, це також продемонструє, чи може темна матерія взаємодіяти способами, які виходять за межі гравітації.

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

Думаєте, знайдемо коли-небудь? Розкажіть в нашому чаті в Телеграма.