Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО НЕПОСРЕДСТВЕННОМУ ОБНАРУЖЕНИЮ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО НЕПОСРЕДСТВЕННОМУ ОБНАРУЖЕНИЮ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

Перспектива получить темную материю в коллайдере, несомненно, вызывает сильнейший интерес. Но следует заметить, что большинство космологических экспериментов проходит не в ускорителях. Ответы на космологические вопросы и информацию, которая помогает хотя бы чуть лучше разобраться в ситуации, чаще всего получают в ходе специальных экспериментов на Земле и в космосе, посвященных астрономическим вопросам и поиску темной материи.

Конечно, темная материя почти не взаимодействует с обычным веществом, поэтому поиски, ведущиеся в настоящее время, основаны на достаточно вольном предположении о том, что темная материя, несмотря на почти полную невидимость, тем не менее взаимодействует — слабо, но реально — с известным нам веществом (из которого мы, кстати говоря, можем построить детекторы). И это не просто попытка принять желаемое за действительное. Это предположение основано на некоторых расчетах, связанных с реликтовым излучением (о них уже упоминалось ранее); эти расчеты показывают, что если темная материя связана с моделями, предложенными для решения проблемы иерархии, то плотность оставшихся частиц вполне соответствует результатам наблюдения за темной материей. Многие WIMP–кандидаты на роль темной материи, предложенные на основании этих расчетов, взаимодействуют с частицами Стандартной модели с частотой, которую, вполне возможно, удастся обнаружить при помощи современных детекторов.

Но даже в этом случае, поскольку темная материя чрезвычайно неохотно вступает во взаимодействие, для ее поиска потребуются либо громадные детекторы на Земле, либо очень чувствительные детекторы (на Земле или в космосе), которые будут искать продукты, возникающие при встрече и аннигиляции темной материи, а также при рождении новых частиц и античастиц. Вероятность выиграть в лотерею, купив всего один билетик, очень мала, но если приобрести больше половины всех имеющихся билетиков, то у игрока будут очень неплохие шансы. Точно также очень большой детектор, судя по всему, имеет шанс обнаружить темную материю, хотя вероятность того, что темное вещество взаимодействует с каждым конкретным ядром в детекторе, чрезвычайно мала.

Сложнее всего детектору будет зарегистрировать нейтральные — незаряженные — частицы темной материи, а затем отличить их от космических лучей или другого фонового излучения. Частицы, не несущие на себе заряда, не взаимодействуют с детектором традиционными способами. Чтобы частица темной материи оставила след в детекторе, нужно, чтобы она столкнулась с атомными ядрами в детекторе и хотя бы чуть–чуть поменяла их энергию. Поскольку это будет единственным наблюдаемым следствием такого пролета, детекторы темной материи поневоле должны будут регистрировать крохотные количества тепловой энергии или энергии отдачи, переданной детектору. Чтобы зафиксировать и измерить эту энергию, детекторы должны быть либо очень холодными, либо очень чувствительными.

Очень холодные устройства, известные как криогенные детекторы, регистрируют небольшое количество тепла, которое выделяется при входе частицы темной материи в аппарат. Небольшое количество тепла, полученное и без того горячим детектором, было бы слишком трудно заметить, но специально разработанные холодные детекторы на это способны. Криогенные детекторы изготавливают с применением кристаллического поглотителя, такого как германий. Среди экспериментальных установок такого рода можно назвать CDMS (Cryogenic Dark Matter Search — криогенный детектор темной материи), CRESST и EDELWEISS.

К другому классу детекторов непосредственного действия относятся детекторы на инертных газах в жидком состоянии. Темная материя непосредственно не взаимодействует со светом, но энергия, получаемая атомом ксенона или аргона при столкновении с ним частицы темной материи, может вызвать характерную вспышку. Эксперименты с ксеноном включают XENON100 и LUX, среди экспериментальных установок с другими благородными жидкостями можно назвать ZEPLIN и ArDM.

В теоретическом и экспериментальном физических сообществах каждый желает знать, какие новые результаты ожидаются от этих экспериментов. Мне повезло побывать на конференции по темной материи в Санта–Барбаре, организованной в декабре 2009 г. двумя учеными — Дагом Финкбейнером и Нилом Вейнером; в то время CDMS, один из наиболее чувствительных экспериментов по регистрации темного вещества, как раз должен был выдать новые результаты. Даг и Нил — молодые друзья–ровесники, одновременно получившие магистерские степени в Беркли; мало того, они к тому же оба прекрасно разбираются в экспериментах по темной материи и в том, каких результатов от них можно ожидать. Нил занимался в основном физикой элементарных частиц, а Даг — астрофизикой, но тема темной материи объединила их обоих. На конференции им удалось собрать теоретиков и экспериментаторов — ведущих специалистов по этому вопросу.

Самая интересная лекция состоялась как раз в то утро, когда я туда приехала. Гарри Нелсон, профессор Университета Калифорнии в Санта–Барбаре, рассказывал о прошлогодних результатах CDMS. Вы, возможно, удивитесь, что рассказ о довольно старых уже результатах привлек столько внимания. Причина проста: все присутствующие знали, что всего через три дня будут опубликованы новые данные по этому эксперименту. Ходили активные слухи о том, что ученые CDMS получили реальные и весьма убедительные свидетельства открытия, так что всем хотелось лучше понять суть эксперимента. Много лет теоретики слушали разговоры о детекторах темной материи и соответствующих экспериментах, но, как правило, обращали внимание только на результат, а не на технические подробности самого эксперимента. Но теперь, когда до открытия темной материи, казалось, было рукой подать, теоретикам хотелось узнать побольше. Через несколько дней результаты действительно были опубликованы и разочаровали аудиторию с ее сильно преувеличенными ожиданиями. Но в день лекции всем было ужасно интересно. Гарри хватило терпения завершить свой обзор, несмотря на постоянные отвлекающие вопросы о новых результатах.

Поскольку лекция проходила в формате двухчасовой неформальной презентации, присутствующие могли прерывать лектора в любой момент, если это было необходимо для лучшего понимания. Гарри прекрасно объяснил все, что могло заинтересовать аудиторию, состоявшую преимущественно из специалистов по физике элементарных частиц, — ведь сам он по образованию тоже был таким специалистом, а не астрономом, и говорил с нами на одном языке.

Надо сказать, что в сложнейших экспериментах, связанных с поисками темной материи, дьявол, как всегда, кроется в деталях. Гарри дал нам это понять совершенно определенно. Эксперимент CDMS основан на продвинутой технологии низкоэнергетической физики — той самой, что традиционно называют физикой конденсированных состояний или физикой твердого тела. Гарри рассказал, что сам до вступления в коллаборацию ни за что бы не поверил, что такие тонкие измерения вообще возможны, и пошутил, что его коллегам–экспериментаторам следует радоваться, что первоначальное решение об эксперименте зависело не от него.

CDMS работает совершенно иначе, нежели сцинтилляционные детекторы на ксеноне и иодиде натрия. Он содержит кусочки германия или кремния размером с хоккейную шайбу, увенчанные точнейшим устройством регистрации, роль которого выполняет фононный датчик. Детектор работает при очень низкой температуре — где?то на самой границе сверхпроводимости. Даже небольшого количества тепла, приносимого фононами (фоно- ны — акустические квазичастицы, переносящие энергию через германий или кремний, примерно как фотоны переносят энергию света), может оказаться достаточно, чтобы вывести детектор из состояния сверхпроводимости и зарегистрировать событие, потенциально связанное с темным веществом, при помощи устройства под названием SQUID (Superconducting Quantum Interference Device — сверхпроводящее устройство квантовой интерференции). Эти устройства чрезвычайно чувствительны и очень хорошо измеряют переданную энергию.

Но зарегистрировать событие недостаточно. Экспериментаторам необходимо убедиться, что детектор «увидел» действительно темную материю, а не просто фоновое излучение. Проблема состоит в том, что излучает все вокруг. Мы сами излучаем. Компьютер, на котором я печатаю эту книгу, излучает. Книга (бумажная или электронная), которую вы читаете, излучает. Пота с одного- единственного пальца экспериментатора достаточно, чтобы забить помехами любой сигнал от темной материи. И это без учета всевозможных естественных и рукотворных радиоактивных веществ. Окружающая среда и воздух, как и сам материал детектора, являются источниками излучения. В детектор могут попасть космические лучи. Медленные нейтроны в грунте запросто могут изобразить из себя темную материю. Мюоны космических лучей могут попасть в породу и породить веер частиц, в том числе и нейтронов, которые тоже могут выглядеть, как темная материя. В общем, фоновых электромагнитных событий в детекторе происходит в 1000 раз больше, чем предсказанных сигнальных событий, даже при достаточно оптимистичных предположениях о массе и силе взаимодействия частиц темной материи.

Так что главное занятие экспериментаторов, занятых поиском темной материи, — экранирование и дискриминация. (Это астрофизический термин. В физике элементарных частиц это называют более наукообразно — идентификация частиц, хотя я не уверена, что в наши дни это звучит намного лучше.) Экспериментаторы стремятся как можно лучше экранировать свое устройство, чтобы отсечь излучение и отличить потенциальные события, связанные с темным веществом, от совершенно неинтересного радиационного рассеяния в детекторе. Отчасти экранирование обеспечивается тем, что подобные установки размещают в шахтах глубоко под землей. Идея в том, что космические лучи, прежде чем добраться до детектора, имеют хорошие шансы взаимодействовать с чем?нибудь в грунте. С другой стороны, темная материя, которая взаимодействует гораздо менее охотно, доберется до детектора без помех.

К счастью для ученых, шахт и тоннелей существует вполне достаточно. Эксперимент DAMA, а также эксперименты под названиями ?????10, ?????100 (более крупная версия) и CRESST (детектор с использованием вольфрама) проводятся в лаборатории GranSasso, расположенной в Италии в тоннеле на глубине около 3000 м под землей. Другую установку на базе ксенона, получившую название LUX, предполагается разместить на глубине 1500 м в бывшей золотоносной шахте Хоумстейк в штате Южная Дакота. Этот эксперимент пройдет в той самой пещере, где Рэй Дэвис открыл нейтрино, возникающие в ходе ядерных реакций в глубинах Солнца. Эксперимент CDMS располагается в суданской шахте на глубине около 750 м.

И все же многих сотен метров грунта над шахтами и тоннелями недостаточно, чтобы гарантировать отсутствие лишнего излучения вокруг детектора. Ученым приходится дополнительно экранировать свои установки различными способами. Детектор CDMS заключен в кожух из полиэтилена, который светится при попадании в него извне чего?то более активно взаимодействующего, чем темная материя. Еще интереснее кожух из свинца, взятого с затонувшего в XVIII в. французского галеона. У старого свинца, пролежавшего несколько столетий в воде, было достаточно времени, чтобы избавиться от собственной радиоактивности. Это плотный поглотитель, идеальный для экранирования детектора от внешнего излучения.

Несмотря на все меры предосторожности и барьеры, до детекторов добирается немало квантов электромагнитного излучения. Чтобы отличить это излучение от потенциальных кандидатов на роль темной материи, требуется дальнейшая дискриминация. Взаимодействия частиц темной материи напоминают ядерные реакции, возникающие при попадании нейтрона в мишень. Поэтому напротив регистратора фононов располагается более традиционный детектор элементарных частиц, который измеряет ионизацию, возникающую при пролете предполагаемой частицы темной материи сквозь германий или кремний. Вместе два измеренных параметра (ионизация и энергия фонона) позволяют отличить ядерные процессы — подходящие события, которые могут указывать на присутствие темной материи — от событий, вызванных электронами и представляющих собой результат действия радиоактивности.

Среди других интересных особенностей установки CDMS—точное определение координат и времени события. Непосредственно его координаты определяются только в двух направлениях, но момент прохождения фононов дает положение и по третьей координате. Так что экспериментаторы могут точно определить, где произошло событие, и исключить фоновые события на поверхности. Еще одна особенность — то, что установка сегментирована на отдельные стопки детекторов размером с хоккейную шайбу. Истинное событие произойдет лишь в одном из этих детекторов, излучение же от местного источника может затронуть несколько детекторов сразу. Все это дает CDMS и следующей, еще лучше проработанной установке, неплохие шансы обнаружить темную материю.

Тем не менее, как бы впечатляюще ни выглядел эксперимент CDMS, он вовсе не является единственным детектором темной материи, да и криогенные устройства — не единственный тип таких детекторов. Через несколько дней после лекции Гарри о своих экспериментах ?????10 и ?????100, а также о других экспериментах с благородными жидкостями рассказала и Елена Априль, одна из пионеров работы с ксеноном. Поскольку вскоре эти установки должны стать самыми чувствительными детекторами темной материи, аудитория слушала очень внимательно.

В ксеноновых установках события, связанные с темным веществом, регистрируются за счет сцинтилляций. Жидкий ксенон представляет собой плотную гомогенную жидкость, обладает высокой атомной массой (что повышает вероятность взаимодействия с темным веществом), хорошо вспыхивает, легко ионизуется при получении энергии, так что описанные выше два типа сигналов можно эффективно отличать от электромагнитных событий, и к тому же относительно дешев по сравнению с другими пригодными для этой цели материалами (хотя за десять лет его цена увеличилась вшестеро). Эксперименты подобного типа с благородными газами стали намного масштабнее и эффективнее, к тому же их возможности далеко не исчерпаны. Когда вещества больше, вероятность желаемого события выше; кроме того, при помощи внешней части детектора можно более эффективно экранировать его внутреннюю часть, что помогает обеспечить значимость результата.

Измерив ионизацию и мощность первоначальной вспышки, экспериментаторы получают возможность отсечь фоновое излучение. В эксперименте ?????100 для измерения осцилляций используются особые фототрубки, созданные для работы в низкотемпературной среде детектора под высоким давлением. Аргоновые детекторы в будущем могли бы обеспечить еще более точную информацию о сцинтилляциях, поскольку в них устанавливается точная форма вспышки как функция времени, и это также поможет в дальнейшем отделить зерна от плевел.

Сегодня дело обстоит довольно странным образом (хотя положение может измениться в самом ближайшем будущем): дело в том, что один из сцинтилляционных экспериментов — DAMA в лаборатории Gran Sasso в Италии — зарегистрировал сигнал.

В приборе DAMA, в отличие от описанных только что экспериментов, не предусмотрено внутреннего различения сигнала и фона. Считается, что сигнал от событий с участием темной материи можно распознать исключительно по его временной форме, если применить для этого характерную зависимость, связанную с движением Земли по околосолнечной орбите.

Скорость прилетающих извне частиц темной материи имеет значение, потому что именно от нее зависит, сколько энергии выделится в детекторе. Если энергия слишком мала, эксперимент окажется не очень чувствительным и может просто не заметить появления частицы. Если энергия выше, вероятность того, что установка зарегистрирует событие, также повышается. Из- за движения Земли по орбите скорость темной материи по отношению к нам (а следовательно, и энергия, переданная детектору) зависит от времени года, и в некоторые сезоны (летом) сигнал увидеть проще, чем в другие (зимой). Эксперимент DAMA ищет регулярные сезонные колебания в частоте событий, которые согласуются с прогнозами, и его данные говорят о том, что такой сигнал обнаружен (на рис. 79 показаны данные DAMA).

РИС. 79. Данные эксперимента DAMA показывают модуляцию сигнала во времени

Никто пока не может сказать наверняка, является ли сигнал DAMA признаком темной материи или объясняется каким?то непониманием работы детектора или недооценкой внешних влияний. Ученые настроены скептически, потому что ни один из остальных экспериментов пока ничего не обнаружил. Отсутствие подтверждений плохо согласуется с прогнозами большинства моделей скрытой массы.

Пока ничего не понятно, но именно такого рода вещи делают науку интересной. Результат заставляет задуматься о том, что скрытую массу могут составлять несколько различных типов вещества; кроме того, темная материя может обладать какими?то свойствами, которые облегчают ее обнаружение именно в эксперименте DAMA[61]. Такие результаты заставляют нас лучше изучать собственные установки и разбираться во всех их особенностях, только тогда мы сможем отфильтровать случайные сигналы и сказать, что данные эксперимента означают именно то, что утверждают экспериментаторы.

Ученые по всему миру работают над повышением чувствительности своих установок, чтобы можно было либо исключить, либо подтвердить открытие темной материи детектором БАМА. А может быть, им удастся независимо открыть другой тип темной материи. Все согласились бы с тем, что темная материя наконец открыта, если бы хотя бы один эксперимент подтвердил данные DAMA, но пока ничего подобного не произошло. Тем не менее есть шанс, что ответы на эти вопросы будут получены в самом ближайшем будущем. Даже если к моменту, когда вы будете читать эту книгу, изложенные выше результаты уже устареют, характер и методики экспериментов по–прежнему будут актуальны.