В пошуках темної матерії: ксеноновий експеримент сягає критичної фази

Пошуки найбільш таємничих часточок у Всесвіті переходять до критичної фази, кажуть науковці.

Експеримент, який проводиться на дні золотої шахти в Південній Дакоті, США, може виявитися найкращою можливістю знайти темну матерію.

Науковці вважають, що ця речовина складає понад чверть космосу, втім наразі її ніхто й ніколи не бачив.

Перші результати з великого підземного ксенонового детектору (LUX) підтвердили, що це - найпотужніший експеримент такого роду.

Найближчими тижнями розпочнеться 300-денний експериментальний період, який може надати перші прямі докази існування цих загадкових часточок.

Шукаючи вімп

Під вкритими снігом Чорними Пагорбами Південної Дакоти клітка зі страшним шумом опускається в темряву.

Понад 100 років це була щоденна подорож для шахтарів Хоумстейка, які шукали золото, яке залягає глибоко в породі.

Сьогодні підземні печери та тунелі перетворили на найсучаснішу фізичну лабораторію.

Зараз науковці відправляються у 1,5-кілометрову подорож під землю, намагаючись розгадати одну з найбільших таємниць науки.

"Ми живемо в ХХІ сторіччі і все ще не знаємо, з чого складається найпоширеніша матерія у Всесвіті", - каже один з головних учасників експерименту з LUX, професор Рік Гейтскел з Університету Браун.

Науковці вважають, що вся матерія, яку ми бачимо, – планети, зорі, пил тощо, становить лише невеличку частину того, що існує насправді.

Сьогодні близько 85% матерії у Всесвіті насправді є темною матерією. Її так називають, тому що її неможливо побачити безпосередньо і ніхто насправді не знає, чим вона є.Втім, цей факт не завадив фізикам пропонувати ідеї. Згідно з найбільш поширеною версією, темна матерія приймає форму вімп, так називають гіпотетичні слабовзаємодіючі масивні часточки.

Професор Гейтскел пояснює: "Якщо розглядати Великий Вибух, що стався 14 млрд років тому, то Всесвіт був набагато гарячішим, ніж сьогодні і створив величезну кількість часточок. За гіпотезою, над якою ми зараз працюємо, вімп була реліктовим залишком Великого Вибуху, і насправді домінує над звичайним матеріалом, з якого зроблені ви та я".

Висновок про існування темної матерії вперше зробили через її вплив на галактики на кшталт нашої.

Всі зоряні системи обертаються навколо своїх щільних центрів, вся звичайна матерія, яку вони містять, не має достатньо маси, щоб пояснити гравітацію, необхідну для утримання всього разом. Насправді, галактики, що обертаються, мають розлітатися.

Проте, вважають науковці, темна матерія надає додаткову масу, а отже і гравітацію, необхідну для утримання галактики разом.

Це настільки розповсюджене явище у Всесвіті, що дослідники думають, що величезна кількість вімпів проноситься крізь Землю кожної секунди. Майже всі проходять безслідно.

Однак, у деяких випадках, вважається, що часточки темної матерії все ж таки наштовхуються на звичайну матерію. І саме цю слабку взаємодію сподіваються побачити науковці.

Великий підземний ксеноновий детектор є одним з багатьох фізичних експериментів, що проводяться в підземному дослідницькому центрі Сенфорда, який потребує "космічного спокою".

Професор Гейтскел каже: "Метою цілої милі породи, розташованої над нами, є працювати з космічними променями. Це високоенергетичні часточки, які виникають поза нашою сонячною системою і також самим Сонцем, і вони можуть проходити дуже глибоко. Якщо ми не поставимо милю породи між нами та космосом, ми не зможемо провести експеримент".

У печери в шахті детектор розташований всередині двоповерхового резервуару, зробленого з нержавіючої сталі.

Резервуар заповнений близько 300 тис. літрами ретельно очищеної води, що означає, що в ній немає слідів природних радіоактивних елементів, які могли б завадити отриманню результатів.

"У випадку з великим підземним ксеноновим детектором ми докладаємо надзвичайних зусиль, щоб зробити його найтихішим", - каже професор Гейтскел.

У серці детектору розміщені 370 кг рідкого ксенону. Цей елемент має незвичну, але дуже корисну властивість робити світловий спалах, коли в нього б'ються часточки.

Виявлення серії цих яскравих спалахів означало б, що темну матерію знайшли.

Великий підземний ксеноновий детектор вперше увімкнули на 90-денний тестувальний період. Жодної темної матерії не побачили, але результати дозволили дійти висновку, що це був найчутливіший експеримент такого типу.

Тепер, після 300 днів експерименту, професор Гейтскел каже, що ці взаємодії можуть реєструватися раз на місяць або кожні кілька місяців.

Команда науковців має зареєструвати значну кількість взаємодій, від 5 до 10, щоб стверджувати, що темну матерію, дійсно, побачили. Що більше побачать, то більшою буде статистична впевненість.

Премія в кишені

Втім, великий підземний ксеноновий детектор не єдиний експеримент, який має за мету розкрити таємниці темної матерії.

За допомогою Великого адронного колайдера науковці намагаються створити темну матерію, коли вони зіштовхують часточки. У космосі телескопи шукають уламки, що лишаються після зіткнення часточок темної матерії.

Майк Хедлі, директор науково-технологічного управління Південної Дакоти, яке керує лабораторією Сенфорда, каже що Нобелівська премія точно буде у науковців, які першими знайдуть темну матерію.

"Є декілька експериментів, які проводяться у різних підземних лабораторіях в усьому світі, які хочуть бути першими, хто встане й скаже "ми знайшли її", тому конкуренція дуже велика", - каже Хедлі.

Якщо темну матерію знайдуть, це кардинально змінить наше уявлення про Всесвіт і віщуватиме нову еру у фундаментальній фізиці.

Однак, також існує можливість, що її не виявлять і що теорія темної матерії невірна.

Джим Добсон, який працює в Університеті Единбургу та співпрацює з Університетським коледжем Лондона, каже: "Ми прямуємо до невідомої території. Ми, дійсно, не знаємо, що знайдемо. Якщо ми шукатимемо за допомогою цього експерименту, а потім ще й за допомогою іншого - великого підземного ксенонового детектора Цепелін, який є набагато більшою версією великого підземного ксенонового детектора, і якщо ми не знайдемо нічого, це означатиме, що є велика ймовірність того, що темної матерії не існує".

"Деякою мірою, невдача у пошуках темної матерії була б цікавішою, ніж успіх. Але для мене особисто було б краще, якби ми щось знайшли", - додає Добсон.

Професор Карлос Френк, космолог з Університету Дархем, каже що багато науковців присвятили десятиріччя пошукам темної матерії.

"Якщо б я робив ставку, то, думаю, найкращі шанси мав би великий підземний ксеноновий детектор. В нього є потрібна нам чутливість. Зараз нам просто потрібні дані. Якщо вони їх не знайдуть, це означатиме, що темна матерія не там, де ми її шукаємо. Це б означало, що я згаяв всю свою наукову кар'єру. Адже все, що я зробив, спирається на гіпотезу, що Всесвіт складається з темної матерії. Це означало б, що нам потрібно краще подивитись десь іще", - каже Френк.