Крупный эксперимент по обнаружению темной материи не выявил ничего, кроме загадок

4 877 просмотров
Об авторе

Детектор LUX

Охота на темную материю заводит охотников в тупик. На неделе ученые представили результаты первых трех месяцев эксперимента Large Underground Xenon, который откровенно искал невидимые частицы, составляющие темную материю.

Многие физики серьезно надеялись, что результаты эксперимента немного прояснят ситуацию вокруг темной материи, но те по-прежнему приводят к противоречивым выводам. Что ж, может ученым из MIT удастся найти ее в ходе своего эксперимента. Некоторые полагали, что LUX поможет сузить границы поиска загадочных частиц, но эксперимент оказался пустышкой.

«Короче говоря, мы ничего не увидели. Но мы увидели «ничего» лучше, чем кто-либо до нас», — рассказал физик-ядерщик Дэниел Маккинси из Йеля, член коллаборации LUX.

Некоторых из нас может оставить в недоумении тот факт, что находка «ничего» поощряет физиков, которые будут использовать результаты для  установления строгих ограничений в поиске темной материи в будущем. Кроме того, твердое отсутствие каких-либо находок окончательно поставило точки в ряде предыдущих экспериментов, которые тоже занимались поиском неуловимой темной материи.

«Что-то из того, на что раньше делали ставку, оказалось на свалке в настоящее время», — подтвердил физик Ричард Гейтскелл из Брауновского университета, также работавший в LUX.

Однако ряд ученых не соглашается с тем, что LUX исключил их находки, поэтому споры только разгораются.

Когда астрономы вглядываются в глубины вселенной, они видят темную материю везде и всюду. Ну ладно, конкретно темную материю они не видят. Но они знают, как работает гравитация, а их уравнения предполагают, что для того, чтобы звезды вращались в галактиках на тех скоростях, с которыми вращаются сейчас, им должна помогать огромная невидимая масса. Кроме того, моделирование Вселенной показало, что темное вещество необходимо для того, чтобы космос был именно таким, как является сейчас.

Руководствуясь этими наблюдениями, физики подсчитали, что на каждый протон, нейтрон или другую частицу обычной материи вселенной должно приходиться по меньшей мере пять частиц темной материи. И хотя из этого следует доминирующее положение по массе темной материи в галактиках и галактических скоплениях, темная материя остается призраком.

Физики полагают, что темная материя состоит из слабовзаимодействующих массивных частиц, или «вимпов» (WIMP). Насколько слабо взаимодействуют эти частицы с обычной материей? Если вы построите свинцовый куб с длиной грани 200 световых лет и пошлете частицы темной материи через этот куб, будет 50-процентный шанс того, что вся материя пройдет через куб и выйдет с другой стороны. Да, 200 световых лет в длину.

Кластер Пуля

Скопление Пули демонстрирует, как два галактических скопления врезаются друг в друга. Скопление Пули предоставляет одно из лучших космологических доказательств существования темной материи во Вселенной.

Ученым невероятно сложно засечь материю такого типа. Но все ученые — умные ребята, поэтому они создали ряд превосходных детекторов, которые пытаются зафиксировать частицы темной материи.

LUX, как и большинство экспериментов, прямо направленных на поиск темной материи, работает по принципу «подождем, пока что-нибудь не ударит меня». Детектор состоит из большого числа атомов, расположенных очень плотно, что увеличивает вероятность проникновения в них темной материи. В случае LUX это атомы ксенона, очень стабильный элемент, который не спровоцирует никаких нежелательных химических реакций, тем самым испортив результаты эксперимента.

Идея состоит в том, что темная частица может пролететь рядом с атомом ксенона и выбить электрон, а LUX зарегистрирует это как увеличение заряда. Кроме того, частица темной материи может попасть прямо в атом ксенона, подняв один из его электронов на более высокую орбиту. Когда электрон вернется в свое базовое состояние, он испустит фотон, образуя крошечную вспышку света, которую зафиксирует один из 122 фотодетекторов LUX.

Большинство других прямых методов обнаружения работают аналогичным образом, и экспериментаторы полагают, что их датчики смогут преуспеть в обнаружении темной материи. Проблема в том, что за последние несколько лет каждый эксперимент выдает отличные от других результаты.

Сторонники существования частиц темной материи разделились на два лагеря. Первые полагают, что «вимпы» темной материи относительно тяжелые; вторые полагают, что они достаточно легкие. Тяжелые в этом случае означает пределы 100 ГэВ, или 100 масс протона. Тяжелые вимпы были предсказаны теорией, известной как суперсимметрия, которая добавляет множество новых частиц к кваркам, нейтрино и электронам, уже известным нам сегодня. Если бы детектор обнаружил частицу WIMP с массой 100 ГэВ, это был бы не только важный момент в обнаружении темной материи, но и первое реальное доказательство в пользу суперсимметрии. Поскольку суперсимметрия, по мнению многих ученых, является будущим физики, частица темной материи с массой 100 ГэВ была бы долгожданным гостем для них.

Есть и другой лагерь, который считает, что темная материя намного легче. Хотя это и не было предсказано конкретной теорией, легкие «вимпы» также обладают солидными достоинствами. Например, несколько экспериментов, возможно, уже видели намеки на доказательства их существования. Коллаборация под названием Coherent Germanium Neutrino Technology (CoGeNT), которая использует кристаллы германия в своем детекторе, обнаружила сигнал того, что темная материя может прятаться в пределах массы 7-11 ГэВ. Другая команда, Cryogenic Dark Matter Search (CDMS), представила результаты того, что в апреле три частицы темной материи, вроде бы, были зафиксированы в тех же диапазонах. Все эти данные остаются намеками, но намеки это тоже хорошо. Есть, кстати, и другие спорные коллаборации DAMA и LIBRA, которые уже лет десять утверждают, что фиксируют сигналы темной материи.

LUX должен был навести порядок в этой запутанной ситуации. Он более чувствительный, чем предыдущие эксперименты, большой (то есть использует больше атомов ксенона, а значит и вероятность попадания выше) и лучше защищен. Есть множество всяких штук в субатомном мире — космические лучи, заряженные частицы, излучение — которые могут быть ошибочно приняты за темную материю.

Детектор LUX позволяет избежать всех других потенциальных ложных реакций, поскольку «по существу является самым тихим местом на Земле», если смотреть с точки зрения энергий, говорит Гейтскелл.

LUX

Пещера в Южной Дакоте, в которой расположен детектор LUX. В этой же пещере впервые были зафиксированы нейтрино, испускаемые Солнцем, в 60-х годах.

LUX расположен почти в двух километрах под землей в шахте Южной Дакоты под названием Sanford Underground Research Facility. Он улавливает любые странные заряженные частицы и космические лучи, которые могут прилетать с любых концов вселенной. Бак для воды окружает жидкий ксенон, экранируя его. Сам детектор выполнен из материалов, которые, разумеется, не выделяют много излучения, из титана и тефлона. А еще — разумеется, в благих целях, — эксперимент учитывает только ксеноновые атомы в самом центре детектора, поскольку внешние ксеноновые атомы все же подвергаются блуждающим субатомным частицам, которые проникают всюду и везде.

Из-за своей осторожности команда LUX заслужила хорошую репутацию в сообществе физиков, и их результаты исследований будут восприниматься всерьез. Коллаборация рассчитала, что их детектор в два раза чувствительнее к тяжелым частицам вимпов и в 20 раз более чувствителен к легким вимпам, чем детектор другой коллаборации, идущей следом по уровню, XENON 100. Нулевой результат LUX означает то, что идея легкости вимпов, возможно, нашла свой конец.

«Трудно совместить наше полное отсутствие сигнала с другими результатами», — говорит Гейтскелл. Если эксперимент CDMS зарегистрировал три попадания частиц темной материи, более крупный LUX должен был зарегистрировать около 1600 событий.

Однако ученые, которые занимаются поиском легких вимпов, не согласны с однозначным приговором. Результаты LUX были представлены только в научном журнале, так что у других физиков пока не было времени сделать выводы.

Вполне возможно, что жидкий ксеноновый детектор LUX не так чувствителен к легким вимпам, как полагала команда, считает физик Хуан Коллар из Чикагского университета, возглавляющий эксперимент CoGeNT. Атом ксенона в 131 раз тяжелее протона, что делает его более соответствующим тяжелой частице, чем легкой. Команда LUX должна экстраполировать свои выводы с использованием моделей, которые предсказывают, сколько легковесных вимпов можно было бы обнаружить, и с теми моделями, которые вытекают из этих выводов.

«Я думаю, они не дошли ни до одной низкоэнергетической калибровки, которой мы ожидали», — сообщил Коллар журналу Wired по электронной почте.

Физик-теоретик Джонатан Фенг, как пишет источник, из Калифорнийского университета в Ирвине тоже не уверен, что можно исключить сценарий легких вимпов. Сравнивать норму ожидания фиксируемых частиц в германиевых кристаллах, как в CDMS и CoGeNT, и в жидком ксеноне — как сравнивать апельсины и яблоки.

«Для того, чтобы сравнивать уровень ожидаемых столкновений с германием и ксеноном, вам нужно сделать теоретическое предположение, что темная материя одинаково взаимодействует со всеми частицами», — говорит Фенг.

У ученых нет ни малейшего представления о темной материи и о том, какими возможными экзотическими свойствами она может обладать. Вполне возможно, что все ранние предположения были ошибочными, и природа темной материи куда более сложна, чем предполагают простые модели. Тем не менее, стоит признать, что результаты LUX буквально убили ряд теорий.

«Стало очень неудобно», — говорит Фенг. — «Одна из моих любимых моделей суперсимметрии теперь исключена. Осталось очень мало места для шага вперед, но все подходит к концу».

Как это часто бывает, нужно больше данных, чтобы прояснить ситуацию с темной материей. CDMS все еще работает, как и CoGeNT, а значит представит свежие результаты в ближайшем будущем. LUX также будет собирать данные и возможно однажды зафиксирует несколько столкновений. Два крупных детектора, XENON 1T в Европе и преемник LUX под названием LZ, будут запущены в течение нескольких лет.

«В конце концов, это один из раундов 15-раундового боя тяжеловесов», — говорит Фенг. Но все надеются на то, что ситуация прояснится в течение пяти-десяти лет, признает физик.

Крупный эксперимент по обнаружению темной материи не выявил ничего, кроме загадок

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

27 комментариев

  1. Atmosferik

    Пока современная наука будет использовать теорию Эйнштейна, все подобные эксперименты будут иметь одинаковый результат. Пора уже задуматься о существовании эфира, собственно он и был в физике до Эйнштейна. Все вокруг - эфир, а элементарные частицы - это возбужденное состояние эфира. А пока современная физика всего лишь придумывает новые частицы, чтобы заткнуть дыры, которые не могут быть объяснены современными теориями.

    • mik scerscen

      а што по вашему есть эфир ??

      • QNX

        Энергия в чистом виде. Всё остальное лишь состояния этой энергии.

        • mik scerscen

          Много кратные эксперименты не нашли подтверждения этих теорий также как и не нашли и не найдут тёмную материю , я не сторонник теории Эйнштейна но её трудно оспорить и опровергнуть. Относительно же чистой энергии и её состояний всё совсем не просто . Второй закон термодинамики , наша вселенная развивается , движется от чего та к чему та . Нигде в экспериментах и просто наблюдениях не наблюдалось превращение материи в пространство и наоборот .

          • Баха

            Если Вы внимательнее изучите какой бред нёс Айнштайн то поймёте, что у него всё основывается придуманный им же постулатами. Не хочу никого учить, но Я основываюсь на логике. Любые высказывания исследования должны на чём то основываться. Если он не обосновывает свои слова то Он просто хуепутало (извините за выражение) если конечно не брать в расчёт в какое время он жил.

          • Atmosferik

            Как раз таки эксперименты были проведены и доказательства существования эфира существуют. В интернете есть описание экспериментов и результаты. Суть в том, что сторонники теории Эйнштейна сознательно ставили эксперимент так, чтобы зафиксировать скорость движения эфира было невозможно. Как раз именно эти опыты были опубликованы, а результаты первых опытов, доказывавшие существование эфира не были приняты наукой того времени.

          • mik scerscen

            ATMOSFERIK Как раз таки эксперименты были проведены но они скорей опровергают или по крайней мере подмывают теорию Эйнштейна , но и близко не доказывают существование эфира , это всё ровно что высунуть голову из машины на скорости 100 км/час и не почувствовать ветра . Вселенная сложнее чем кажется об этом говорил ещё сам Эйнштейн и наука далека ещё от раскрытия всех её тайн.

          • Netsana

            Когда летиш над воздушном шара то ветра не ощущаешь, тк движешся вместе с ним. Кто лета тот знает.

          • DNA

            А что если пространство и есть энергия? "Квантовый суп" нарушает закон сохранения, это и не позволяет нам измерить что-либо ниже уровня элементарных частиц, но там океан энергии. А "эфира", как некоей жидкости или газа, не существует, поскольку поскольку законы макромира сильно отличаются от законов микромира и сравнивать кванты пространства и энергии с простым потоком газа или жидкости некорректно. Мы не можем почувствовать эфир, потому что не можем почувствовать пространство.
            А Эйнштейн не был дураком.
            Всего 4% обычной материи. К слову, любое зеркало (как преломляющая система) поглощает как минимум эти самые 4%. Наводит на мысль, что наш трехмерный мир и есть подобное "отражение" на граничной поверхности темной материи.

    • maccon

      Возможно, это выход. На сегодня теории "тёмного" очень парадоксальны. Согласно гипотезам, из"тёмного" состоит 96% (!!!) Вселенной! А обнаружить не можем...

  2. oenilloc

    Да по любому все проще, живем например в гигантской кошке которая ходит со скоростью: 1 лапа в миллиард лет, а мы относительно ее движемся быстро, типа как бактерии )) а она живет так же на какой нибудь лютой планете, которая находится в большом одуванчике относительно ее )) ну и так далее, в общем пока к источнику доберемся, проще поехать к шаманам скушать волшебных кактусов и понять что к чему за несколько дней, чем сидеть ученым постоянно догадываться на черный космос в бинокль глядеть из кошкиной попы ))

  3. Sam777

    Вообщем, трудно найти черную кошку в темной комнате, тем более когда ее там нет :)

  4. Archer

    Возможно есть вещество, которое не обладает свойствами материи, но из которого и собрана вся наша материя. Это как молекулой и атом. Существует молекула воды, она имеет химические свойства, но атомы, из которых она состоит имеют совсем иные характеристики. Можно обозвать это вещество темной материей, прото-материей, эфиром ... Суть от этого не меняется, мы явно имеем дело с исходными частицами, которые есть везде и в больших количествах, но потрогать их не получается, т.к. Мало того, что они слишком мизерны, их взаимодействие с более сложным веществом имеет непривычные для нас свойства.
    Так, если обычное вещество можно представить в виде арматурной сетки, то темная материя (эфир) является воздухом. Как стальной сеткой почувствовать ветерок? Вот и не находят, хотя чувствуют, что что-то есть. )))

  5. Баха

    Арчер Вы чуточку ошибаетесь. Материя существуют в 2 видах. Частица и поле которое его окружает. Частица может сгрупероватся в вещество. Частичка и вещество имеет прерывистую форму, по этому мы можем видеть их грани. А поле (к примеру магнитное) непрерывно и мы не можем увидеть его. Но можно зафиксировать. А материю которую они хотят найти скорее всего поле нежели частица. Она огромна так как окутывает всю галактику (может и вселенную). И если бы мы имели среду без этого поля и в руках держали нашу галактику, тогда бы мы могли найти границу. так как отдаляясь поле теряет силу.

    • Баха

      Получается либо частица имеет 2 разных по силе поля. Первое это магнитное поле,так как каждая частица имеющая массу может притягивать и второе более массивное поле в совокупности создающееся непрерывность внутри и снаружи галактики. Либо центр галактики генерирует своё магнитное поле. Я склоняюсь ко второму варианту. Но нигде не вижу темную материю.

    • Баха

      То есть мы как рыба в воде пока не выберемся из воды либо отдалимся на нужное расстояние мы этого не увидим

    • stepan

      Вы так уверенны что материя существует только как собственно материя(какое общепринятое понятие мы в это вкладываем) и как поле(нечто совсем не из мира материального,но явное и имеющее свои характеристики)?
      Любое материальное тело окруженно полем(рпзными полями-?или нет?)-может это надо рассматривать как нечто целое всё же?И тогда существует только один вид материи?
      Дайте определения поля-что это такое всё же?
      Но сначало о более простом-что есть материя?
      И с чего это мы уверенны что нет других проявлений материи,в более широком,или скорее глубоком восприятии бытия?
      Мы живём в откровенное время-в том смысле ,что можно только завидовать многим наивным ,но счастливым учёным 19-20 веков, легко манипулирующими даже такими понятмями как пространство и время ,подменяя даже не форму содержанием,а понятие математикой...

  6. snork58

    Бла-бла-бла, сборище великих теоретиков, идите презренным ученным глаза открывайте пока ваше прозрение не закончилось

  7. dansic

    Темная материя.........., а не поле это ли они ищут подобно электромагнитному? Для начала пусть дадут внятное объяснение какая сила заставляет крутиться электроны и протоны, rкоторые кстати тоже порождают поле. Потом разберутся, что такое спин и для чего он нужен частице. А т.к. все в нашем мире имеет вращательное движение: Вселенная, галактики, солнечные системы, планеты, частицы, даже ДНК человека имеет форму спирали, то и плясать надо отсюда. Искать то поле, которое приводит в движение всю эту огромную структуру.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.