Хронограф
18152229
29162330
3101724
4111825
5121926
6132027
7142128

<сентябрь>

Путеводители

Темные гости дамы из Гран-Сассо

Для оптимизма по поводу объявленной лабораторной регистрации частиц темной материи оснований пока недостаточно

Как небо бывает заполнено черными тучами, практически невидимыми ночью, так и вселенная заполнена темным веществом, которое не наблюдается непосредственно земными телескопами. По фотографии Flávio Takemoto (SXC license)

16 апреля этого года на международном семинаре NO-VE2008, проходившем в Венеции, профессор римского университета Tor Vergata Рита Бернабей (Rita Bernabei), глава международной группы исследователей — коллаборации — DAMA (DArk MAtter — темная материя), объявила о сенсационной находке. В результате одного из экспериментов коллаборации, носящего название DAMA/LIBRA (Large sodium Iodide Bulk for RAre processes), удалось, по её словам, произвести лабораторную регистрацию частиц темной материи. Эксперимент довольно сложен, поскольку сигнал, который требовалось выделить ученым, крайне слаб. Но если учесть огромную важность лабораторных поисков темной материи, которая ответственна примерно за четверть плотности вселенной, то неудивительно, что ещё за месяц до семинара слухи о готовящейся сенсации распространились среди физиков и астрономов, вызывая напряженный интерес.

Виноваты вимпы?

Астрономия вообще необычная наука. В ней мы не можем потрогать изучаемые объекты руками, не можем проводить с ними опыты (если не говорить о появившейся только во второй половине ХХ века возможности непосредственного изучения некоторых тел солнечной системы и, тем более, метеоритах). Мы можем лишь наблюдать свет (или другие виды излучения), приходящий от них. Поэтому чем лучше объект изучает (или отражает), тем проще его наблюдать. Но иногда можно обнаружить и невидимое. Массивное тело может влиять своей гравитацией на поведение видимых, и по каким-то особенностям движения последних мы сможем судить о наличии невидимых объектов. Вспомним, что именно по отклонениям в движении Урана был открыт Нептун. По наблюдениям отклонений в движении Сириуса был открыт его слабый компаньон — первый из обнаруженных белых карликов. Во всех этих случаях впоследствии все-таки удавалось непосредственно увидеть планету или звезду. А бывает ли так, что невидимка остается невидимкой?

Первые указания на существование большой невидимой (скрытой) массы во Вселенной появились в 1930-е годы. Фриц Цвикки (Fritz Zwicky, 1898–1974) обратил внимание на то, что в скоплениях галактик есть много очень горячего газа. Чтобы удержать его от разлета, необходима большая масса скопления. Оценки показали, что ни массы галактик (которую оценивали по звездному населению), ни массы самого газа для этого недостаточно. Тогда Цвикки предположил, что в скоплениях есть какое-то «темное вещество». Что это за «темная материя», можно было только гадать. С тех пор прошло более 75 лет, однако природа этой невидимой массы остаётся загадкой даже сейчас. 

Год назад международная коллаборация астрономов, используя данные с Космического телескопа имени Хаббла, представила картину распределения темного вещества во вселенной. Иллюстрация: NASA, ESA, and R.Massey (CalTech)

За прошедшие со времени пионерских работ Цвикки годы выяснилось, что массы не хватает не только для объяснения наличия горячего газа в скоплениях галактик. Следующий важный шаг в изучении темной материи был сделан в 1960–70-е годы, в первую очередь благодаря работам Веры Рубин (Vera Cooper Rubin). Она обнаружила, что звездная масса в галактиках слишком мала для объяснения вида кривых вращения спиральных галактик, то есть зависимости скорости вращения от расстояния до центра. Если бы гравитационное поле галактики определялось только звёздами и межзвёздным газом, то скорость обращения звёзд вокруг галактического центра быстро уменьшалась бы с расстоянием от ядра, как это происходит, например, в Солнечной системе — Земля движется по орбите с гораздо большей скоростью, чем Плутон. 

Однако оказывается, что линейная скорость звезды почти не зависит от расстояния до центра галактики (исключая её центральную часть). В нашей звездной системе в широком диапазоне расстояний скорость обращения звезд составляет примерно 220 км/с. Лишь на самом краю галактического диска скорость звёзд начинает уменьшаться. Если считать, что ньютоновский закон всемирного тяготения (с учетом поправок теории относительности) выполняется на галактических масштабах, то такое поведение приходится объяснять наличием невидимой, неучтённой массы, более или менее равномерно распределённой в галактике. Можно, конечно, усомниться в справедливости закона тяготения Ньютона на больших расстояниях, но мы эту версию обсуждать не будем (исследования в этом направлении, известном под аббревиатурой MOND — модифицированная ньютоновская динамика, тоже ведутся, но они пока не дают приемлемых результатов). 

Оцененная по движению звёзд плотность тёмной материи в нашей Галактике составляет около 0,3 ГэВ/см3. Если бы она была представлена атомами водорода, это соответствовало бы примерно 300 атомам на литр. Кажется, что это крайне мало, — но средняя плотность видимой материи в космосе значительно меньше. Баланс массы, полученный из космологических наблюдений, выглядит сегодня так: тёмная материя отвечает за без малого четверть плотности Вселенной, три четверти плотности представляет ещё более загадочная «тёмная энергия», о которой почти ничего не известно, кроме факта её существования; ну, а на долю обычного, видимого вещества приходится лишь несколько процентов. Как писал Сент-Экзюпери, «самого главного глазами не увидишь…»

Объяснить, что собой представляет тёмная материя, пока не удалось, но теорий уже придумано несколько десятков. Так, были предположения, что в галактиках присутствует обширная популяция очень тусклых звёзд, недоступных наблюдению в видимом диапазоне, которые и дают вклад в плотность; существовали гипотезы, что в межзвёздном пространстве распределены твёрдые объекты («снежки»), состоящие из затвердевших газов и пыли, с размерами от миллиметров до километров. Однако все эти гипотезы пришлось отбросить. Самая тщательная «инвентаризация» всех возможных источников гравитационного поля показывает, что лишь небольшая их доля наблюдается нами в телескопы, основная масса создается чем-то невидимым. Трудно сделать столь ускользающим от поисков астрономов обычное вещество. Кроме того, если верна теория первичного нуклеосинтеза, то возникновение такого количества барионов (протонов и нейтронов), чтобы удалось объяснить всю невидимую массу, просто невозможно. Значит, нужно говорить о небарионной темной материи. 

Поскольку существует много независимых аргументов в пользу существования темной энергии помимо кривых вращения галактик и наличия горячего газа в скоплениях, можно считать, что сам факт наличия темной материи установлен достаточно хорошо по астрофизическим меркам. В настоящее время считается, что наилучшее объяснение природы тёмной материи в космосе даёт физика элементарных частиц, в арсенале которой имеется немало частиц (как открытых, так и гипотетических), практически не взаимодействующих с обычной материей. Тёмная материя может состоять из подобных корпускул, родившихся в первые мгновения после Большого взрыва и образующих неощутимые, прозрачные и несветящиеся, но массивные гало вокруг галактик. Кандидатов немало!

Скопление галактик Abell 520. Сложены три изображения. Во-первых, просто оптический снимок, на котором видны галактики. Во-вторых, рентгеновское изображение (показано красным), которое показывает горячий газ в скоплении. Наконец, по данным о линзированию построено распределение массы (показано синим). Видно, что наибольшая концентрация массы (синий цвет) не совпадает с наибольшим количеством газа и галактик. Иллюстрация: X-ray: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Optical/Lensing: CFHT/UVic./A.Mahdavi et al.

Всем известны нейтрино, для которых Земля практически прозрачна. Они могут вносить некоторый вклад в наблюдаемую плотность тёмной материи, однако не являются теперь предпочтительным кандидатом, поскольку измерения показали, что их масса не может быть велика. Космологические наблюдения показывают, что нейтрино (и других лёгких или безмассовых релятивистских частиц, которые должны образовывать так называемую горячую тёмную материю) не может быть настолько много, чтобы числом компенсировать малую массу. Поэтому на арену выходит второй кандидат — так называемые вимпы (от англ. WIMP — weakly interacting massive particle, слабо взаимодействующая массивная частица; это «говорящая» аббревиатура, английское слово wimp переводится как пассивный, скучный человек, зануда). 

Вимпы — это гипотетические тяжёлые стабильные частицы, которые описываются некоторыми теориями элементарных частиц, не имеющими на сегодняшний день прямого экспериментального подтверждения, однако очень привлекательными с теоретической точки зрения (разумеется, эти теории согласуются с уже имеющимися экспериментальными данными, но их подтверждение — пока дело будущего). Например, большинство так называемых суперсимметричных теорий предсказывают, что у каждой известной частицы есть массивный «суперпартнёр», и легчайшая из этих новых частиц — нейтралино (строго говоря, нейтралино — это некоторая суперпозиция других суперсимметричных частиц) — должна быть стабильна. В этом случае именно нейтралино и представляли бы собой вимпы. Предложены и другие кандидаты: аксионы (которые считаются наиболее вероятным, после нейтралино, «претендентом на престол»), аксионоподобные частицы, стерильные и тяжёлые нейтрино, майороны, зеркальное вещество, магнитные монополи, а также ещё более экзотические «топологические дефекты» — космические струны, стенки, текстуры… Большинство из них образовывало бы холодную тёмную материю — именно тот её тип, который предпочтителен с точки зрения соответствия космологическим наблюдениям. Все перечисленные объекты, кроме нейтрино, являются гипотетическими, никогда не наблюдавшимися в лабораторном эксперименте.

От малого до великого

Все предположения о природе тёмной материи, проявляющей себя лишь начиная с галактических масштабов, с помощью элементарных частиц, объектов, лежащих на противоположном конце масштабной шкалы, относятся к новой дисциплине, лежащей на стыке наук, которая по-английски называется Astroparticle physics (от astrophysics — астрофизика и particle physics — физика элементарных частиц), а по-русски — космомикрофизика, хотя общепринятого устоявшегося названия ещё нет.

Итак, наиболее приемлемое объяснение (или, скорее, рабочая гипотеза) природы тёмной материи — вимпы, тяжёлые слабовзаимодействующие элементарные частицы. Согласно этой модели, Землю, движущуюся вместе с Солнечной системой сквозь Галактику, постоянно пронизывают миллиарды вимпов со скоростью в несколько сот километров в секунду. Как следует из названия, эти частицы могут взаимодействовать с веществом посредством не только гравитационного, но и слабого взаимодействия (слабое взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, наблюдаемых в экспериментах с элементарными частицами. — Ред.), хотя вероятность такого взаимодействия очень мала (в противном случае вимпы давно были бы открыты). Время от времени одна из этих неощутимых частиц натыкается на атомное ядро и передаёт ему часть своей энергии, а движение этого «ядра отдачи» уже относительно легко зарегистрировать. Именно на этом основаны современные лабораторные эксперименты по поиску частиц тёмной материи.

В переводе с итальянского Gran Sasso означает просто «большой камень». И в самом деле, если смотреть со стороны Национального парка, гора выглядит просто большим камнем, неизвестно как тут оказавшимся. Фото (Creative Commons license): Peter Forster

Руководимая Ритой Бернабей международная группа физиков и астрономов заявила о значимом подтверждении своего же прежнего результата, который можно интерпретировать как первое лабораторное наблюдение частиц тёмной материи. Новый результат получен на установке DAMA/LIBRA, расширенной версии закончившегося в 2002 году эксперимента DAMA/NaI. Название установки — LIBRA — является английской аббревиатурой, означающей в переводе «Большой объём иодида натрия для (поиска) редких событий». Кроме того, латинское слово Libra означает Весы, именно это созвездие изображено на логотипе эксперимента. Эксперимент проводится в крупнейшей в мире подземной лаборатории Гран-Сассо, находящейся в глубоком туннеле под Апеннинскими горами. 

Подземное расположение экспериментальной установки необходимо для защиты от космических лучей, это обычное условие для экспериментов, занимающихся поиском чрезвычайно редких ядерных процессов. Установка состоит из сцинтилляционных детекторов на основе сверхчистых монокристаллов иодида натрия (NaI, с небольшой добавкой таллия), очень хорошо защищённых от природной радиоактивности. При торможении заряженной частицы (например, ядра отдачи) в сцинтилляционном кристалле возникает вспышка света, которая регистрируется с помощью фотоэлектронного умножителя. Важно, что количество света пропорционально энергии частицы, выделившейся в сцинтилляторе: это значит, что кинетическая энергия частиц поддаётся измерению. Иодид натрия является одновременно и детектором, и мишенью, «предоставляя» входящие в его состав ядра натрия и иода для рассеяния частицам тёмной материи. Ожидается, что они оставят в детекторе достаточно энергии, чтобы быть зарегистрированными. Общая масса кристаллов составляет четверть тонны, наблюдения проводились непрерывно в течение четырех лет (и будут продолжаться ещё не один год). 

Если бы в эксперименте отсутствовал фон, то всякое «событие» (вспышка света) в детекторе означало бы, что зарегистрировано рассеяние частицы тёмной материи на ядре мишени. Однако, к сожалению, от фона избавиться нельзя, его можно лишь подавить в той или иной степени. Поэтому приходится пользоваться дополнительными соображениями для выделения искомого сигнала. В частности, фон должен быть постоянным (хотя тут есть свои тонкости, о них ниже), а вот сигнал от рассеяния вимпов на ядрах детектора должен зависеть от времени года. Дело в том, что Земля движется вокруг Солнца, поэтому её скорость движения относительно центра Галактики (а значит, и относительно гало тёмной материи) меняется с периодом 1 год. Значит, средняя скорость пролетающих сквозь мишень вимпов тоже меняется, как и среднее энерговыделение в одном акте рассеяния. Этот эффект используется для отделения сигнала от фона. Ближайшее максимальное энерговыделение ожидается 2 июня, когда проекция орбитальной скорости Земли на скорость Солнца в Галактике максимальна.

В результате четырёхлетних (а с учётом старого эксперимента — одиннадцатилетних) наблюдений физики обнаружили, что скорость регистрации событий в детекторе слегка зависит от времени года. Причём максимум периодической зависимости, близкой к синусоиде, наблюдается именно в начале лета. Последний факт говорит в пользу предположения, что это не просто случайная игра статистики и не какое-то незамеченное влияние на эксперимент геофизических условий (температуры, влажности и давления воздуха, потока космических лучей…), меняющихся с годовой периодичностью, но именно искомый эффект. Важно и то, что периодическая зависимость повторяет по фазе, периоду и амплитуде аналогичную кривую, наблюдавшуюся в прежней версии установки (с менее массивным детектором), как и следовало бы ожидать, если наблюдаемый сигнал обусловлен рассеянием частиц тёмной материи в детекторе. 

Эффект, который надо обнаружить при помощи скрытых в толще горной породы детекторов, настолько слаб, что даже при настройке детектора необходимо избегать всякого постороннего влияния. Фото: DAMA Project

Однако не все физики оптимистично относятся к результатам эксперимента. В частности, они указывают, что если интерпретировать сигнал как проявление галактических вимпов с определёнными массой и сечением рассеяния на нуклонах, то возникает противоречие с данными других экспериментов по поиску частиц тёмной материи, которые уже исключили эту область в «пространстве параметров». Быть может, DAMA просто не учла какое-то тонкое влияние окружающей среды на экспериментальную установку? На это возражение авторы эксперимента отвечают, что он даёт модельно-независимый результат, а моделей для возможных составляющих тёмной материи придумано множество. Пока свойства частиц тёмной материи почти неизвестны, а отмечающееся противоречие между результатами разных экспериментов значимо только в рамках определённых конкретных моделей. Расхождение с данными других экспериментов может объясняться и тем, что в состав конкурирующих детекторов входят другие ядра, и просто разницей в чувствительности к конкретным вариантам вимпов. Действительно, среди всех проводящихся экспериментов такого вида DAMA/LIBRA выделяется массой мишени и общей экспозицией (произведением числа ядер мишени на время эксперимента). По обоим этим параметрам DAMA/LIBRA намного опережает ближайших конкурентов. 

Итак, сделана важная заявка на обнаружение частиц тёмной материи. Важная как для астрофизики и космологии, так и для собственно физики элементарных частиц. Несмотря на слегка критическое отношение сообщества физиков, результат заслуживает серьёзного внимания и обсуждения. Разумеется, для окончательного признания открытия потребуется положительный результат независимого эксперимента или существенное повышение значимости в этом. Поскольку эксперимент продолжается, на DAMA/LIBRA накапливается новая информация. Кроме того, идут или планируются другие подобные эксперименты (их в общей сложности более двух десятков, и основаны они на самых разнообразных принципах детектирования). Поэтому скоро можно будет обсуждать более надежные результаты.

Владислав Кобычев, Сергей Попов, 06.05.2008

 

Новости партнёров