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

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.

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.