Что такое темная материя и насколько близко ученые подошли к ее открытию
Темная материя остается загадкой. Ученые в разговоре с РБК заявляют, что шанс разобраться есть. Но существует риск, что научные открытия могут создать «настоящую трещину в фундаментальной физике»
В США ученые приблизились к обнаружению признаков темной материи, а именно к ее гипотетическому основному элементу — слабо взаимодействующей тяжелой частице (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle). Участники эксперимента LUX-ZEPLIN (сокращенно — LZ, это две объединенные группы исследователей из США, Британии, Португалии и Южной Кореи) в работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, описывают предположительный эпизод взаимодействия атома ксенона и другой частицы, которая, судя по всему, является WIMP. Ученые подчеркивают, что полученных данных пока недостаточно, чтобы прямо заявлять об открытии темной материи, и сейчас работают над тем, чтобы исключить другие объяснения того, что произошло во время эксперимента.
РБК опросил российских ученых-физиков, чтобы разобраться, что может представлять из себя темная материя, как ищут ее признаки и чем потенциальное открытие может помочь науке.
Что такое темная материя и как ученые пытаются ее найти
Темная материя — некая форма вещества неизвестной физической природы, которая «заполняет» Вселенную и играет гравитационную роль в ней, объяснил РБК ведущий научный сотрудник и профессор кафедры физики элементарных частиц Национального исследовательского ядерного университета МИФИ Константин Белоцкий. По современным оценкам, этой материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной — той, «из которой мы с вами состоим», говорит он.
«Мы видим, что звезды вращаются вокруг центра галактики со скоростями, намного большими, чем они должны были бы быть, если бы это вращение было только лишь за счет обычной материи. Мы знаем, как Земля вращается вокруг Солнца. По скорости движения Земли вокруг Солнца мы можем определить массу Солнца. Точно так же по скорости вращения звезд в галактике мы можем определить массу галактики. И мы видим, что эта масса в пять раз больше, чем наблюдаемое вещество», — указывает ученый.
В течение многих десятилетий накапливаются самые разные аргументы в пользу того, что значительная часть вещества во Вселенной — на уровне галактик, их скоплений и Вселенной в целом — состоит не из обычных частиц стандартной модели (современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц. — РБК), «а из чего-то еще», отметил в разговоре с РБК астрофизик, профессор РАН Сергей Попов. «Скорее всего, это какие-то элементарные частицы относительно большой массы, которые крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом и излучением, а потому мы видим только их гравитационное проявление», — указывает он.
«Оно не светится и почти не замечает обычную материю: прямо сейчас эти частицы проходят сквозь вас, не оставляя следов», — сказал РБК астрофизик, кандидат физико-математических наук Александр Плавин. Он предполагает, что потенциальная тяжелая частица в основе темной материи осталась с первых мгновений после Большого взрыва.
Большой взрыв — одна из теорий о том, как произошла наша Вселенная. Считается, что ее расширение таким образом случилось примерно 13,8 млрд лет назад. Истоки этой версии содержатся в работах Альберта Эйнштейна, в которых он обозначил основы общей теории относительности.
По словам Попова, есть и другие гипотезы. Например, о том, что темная материя состоит из первичных черных дыр, хотя такой научный подход менее популярен, подчеркивает эксперт. Про версию о первичных черных дырах упоминает и Петр Сатунин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН. Но он сказал РБК, что попытка обнаружить WIMP — все же основное направление, над которым работают в том числе исследователи в рамках проекта LZ. Физик отдельно расшифровывает, что WIMP — это «тяжелые частицы массой от десятков до тысяч масс протона, которые почти не сталкиваются с обычным веществом». Как говорит Плавин, некоторые физики вообще считают, что «частицы нет вовсе и неверна сама наша теория гравитации».
Выдержки из справки Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA):
«Темная материя — это невидимый «клей», который удерживает Вселенную вместе. Это загадочное вещество окружает нас повсюду, составляя большую часть материи во Вселенной».
«В 1933 году швейцарский астроном Фриц Цвики опубликовал статью, в которой описал аномалию, наблюдавшуюся им при изучении скопления галактик, известного как скопление Кома. Он заметил, что галактики в скоплении двигались слишком быстро для гравитации, создаваемой наблюдаемой в нем обычной материей. Галактики должны были покидать скопление, но вместо этого они оставались вместе».
«Темная материя часто вызывает путаницу из-за своего названия. Темная материя не имеет цвета. Скорее, она называется темной, потому что невидима, так как не поглощает, не отражает и не излучает свет. Еще одно заблуждение относительно темной материи связано с темной энергией. Темная энергия — это название, которое ученые дали тому, что заставляет нашу Вселенную расширяться с ускорением с течением времени — и это еще одна космическая загадка. Хотя это разные явления, ученые составляют карты распределения темной материи, чтобы помочь нам понять ускоренное расширение Вселенной, вызванное темной энергией».
Насколько ученые действительно приблизились к открытию темной материи
Как отмечает Reuters, эксперимент LZ, участники которого пытаются найти признаки темной материи, проводится в подземном исследовательском центре на территории бывшей золотой шахты в Южной Дакоте. Ученые используют 10 т жидкого ксенона внутри детектора — большого цилиндрического сосуда, который предназначен для поиска WIMP, упомянутых частиц, способных в этих условиях проявиться при взаимодействии с обычным веществом, что, впрочем, происходит крайне редко. Ученые, которые занимаются экспериментом, допускают, что это все же произошло. «Возможно, мы наблюдаем нечто экстраординарное, но, прежде чем делать такие выводы, мы должны быть предельно внимательны», — предупреждает соавтор исследования, астрофизик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Алвин Камаха.
Сатунин пояснил, что из себя представляет исследование. Концепция эксперимента — «бочка», наполненная чистым жидким ксеноном; при потенциальном столкновении WIMP с ядром ксенона возникает отдача энергии, которая преобразуется в две вспышки света — мгновенную, в месте удара, и отсроченную, когда выбитые электроны поднимаются к поверхности жидкости. Эти вспышки ловят сверхчувствительные детекторы по краям «бочки», указал ученый. Потенциально частицы темной материи в галактике не вращаются, как все остальные, поэтому Земля движется сквозь их среду и может давать сигнал на детекторе, дополнительно объясняет Белоцкий.
Эксперименты по поиску частиц темной материи проводятся десятки лет, исследование LUX-ZEPLIN — самый «чувствительный» из них на данный момент, говорят эксперты. Они расходятся во мнениях о перспективе описать темную материю.
Так, Плавин говорит, что относится к опубликованным результатам «без эйфории». Он отмечает честную позицию ученых, которые говорят об описанном эпизоде не как о свершившемся открытии. «По одному событию неучтенный сбой прибора неотличим от сигнала, а за последние 40 лет растворились и несколько более убедительных намеков. Пока это не открытие, а зацепка, и у нас есть способы ее проверить», — говорит эксперт, но добавляет оптимизма: шансы подтвердить результат в ближайшие годы весьма реальные, LZ работает до 2028 года, а похожие детекторы в Италии и Китае смогут сделать независимую проверку.
Попов, в свою очередь, называет описываемые результаты «крайне интересными», и выражает мнение, что, если LZ решились на обнародование исследования, значит, «они считают его достаточно надежным». При этом он тоже согласен, что данных пока мало. «Посмотрим, подтвердится ли результат. Пока рано говорить о надежном открытии», — сказал ученый. Признанного открытия нет, но исследования активно ведутся последние 15 лет и круг поиска сужается, обращает внимание Сатунин.
Что даст миру потенциальное открытие темной материи
Прямая регистрация частиц темной материи стала бы одним из самых ярких научных открытий, считает Попов. «Это важно и для фундаментальной физики (за пределами стандартной модели), и для космологии (мы бы поняли, из чего состоит 80% вещества во Вселенной), и для астрофизики (темное вещество обнаружимого типа должно взаимодействовать с астрономическими объектами, в первую очередь с нейтронными звездами)», — говорит он.
В случае если ученые добьются успеха, будет закрыт вопрос, открытый почти сто лет назад, и мир впервые узнает, из чего состоит основная часть материи, ведь все, что наука изучила за свою историю, — это меньше пятой части вещества во Вселенной, указывает Плавин. Это была бы первая частица за пределами стандартной модели, первая «настоящая трещина в фундаментальной физике за полвека», и она задала бы направление поиска на десятилетия вперед.
«Квантовую механику сто лет назад тоже считали отвлеченной теорией, интересной десятку человек, а сегодня из нее выросла вся электроника», — подчеркивает он.
Ученым, которые опишут, как устроена темная материя, это принесет Нобелевскую премию, заключает Попов.