85% материи Вселенной остается невидимой

Ошеломляющие 85 % материи во Вселенной остаются неучтенными. Ученые считают, что эта недостающая материя состоит из темной материи — невидимого вещества, которое мы можем обнаружить только косвенно, через его гравитационное влияние на окружающую материю.

Тереза Фрут, преподаватель физики в Сиднейском университете, вместе с глобальной командой из примерно 250 ученых, работающих над экспериментом LUX-ZEPLIN (LZ) по изучению темной материи, посвятила себя раскрытию истинной природы этого загадочного вещества. Хотя им еще предстоит идентифицировать конкретные частицы, из которых состоит темная материя, их последние результаты установили самые строгие ограничения на их свойства на сегодняшний день. Кроме того, результаты подтверждают, что детектор работает так, как ожидалось, и обещают еще более точные результаты в ближайшем будущем.

Эти результаты были представлены на конференции TeV Particle Astrophysics 2024 в Чикаго и конференции LIDINE 2024 в Сан-Паулу, Бразилия. Команда также готовит статью для рецензирования в журнале, чтобы поделиться своими результатами с широким научным сообществом.

Что такое темная материя?

Астрономические наблюдения показывают, что видимая материя в звездах, газе и галактиках составляет лишь малую часть всего вещества во Вселенной. Поведение галактик, в частности скорость их вращения, и остаточное излучение после Большого взрыва указывают на присутствие огромной, невидимой субстанции — темной материи.

Но что именно представляет собой темная материя? В настоящее время ни одна известная частица не может полностью объяснить эти наблюдения. Существует множество теорий, начиная от существования экзотических частиц и заканчивая крошечными черными дырами или даже фундаментальными изменениями в нашем понимании гравитации. Однако ни одна из этих теорий не была окончательно доказана.

Одна из наиболее распространенных теорий предполагает, что темная материя состоит из «слабо взаимодействующих массивных частиц» (WIMPs). Эти частицы, хотя и относительно тяжелые, редко взаимодействуют с обычной материей, однако их гравитационное воздействие может объяснить аномалии, наблюдаемые в космосе.

Чтобы проверить эту теорию, ученые полагают, что WIMPs могут постоянно проходить через Землю. Хотя большинство из них пролетает мимо, не вступая во взаимодействие, время от времени ВИМП может столкнуться с ядром атома — событие, которое призван обнаружить эксперимент LZ.

Поиск глубоко под землей

Эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ) расположен глубоко под землей, в старой золотодобывающей шахте в Южной Дакоте, США, на глубине около 1 500 метров. Такое расположение позволяет защитить эксперимент от фоновой радиации, которая может помешать наблюдениям.

В центре эксперимента — большой резервуар с двойными стенками, заполненный семью тоннами жидкого ксенона, инертного газа, охлажденного до 175 кельвинов (-98°C). Если частица темной материи столкнется с ядром ксенона, это должно вызвать крошечную вспышку света. Детектор оснащен 494 световыми датчиками, которые фиксируют эти вспышки.

Однако частицы темной материи — не единственный источник этих световых вспышек. Фоновое излучение, даже от материалов бака и детектора, также может создавать подобные сигналы. Различение потенциальных сигналов темной материи и фонового шума — важная часть работы. Команда использует детальное моделирование для предсказания того, что они ожидают увидеть с темной материей и без нее, что помогает им изолировать любые подлинные взаимодействия темной материи.

С момента получения докторской степени в 2015 году Тереза Фрут сосредоточилась на разработке этих симуляций, а также на мониторинге детекторов. Она также сыграла ключевую роль в интеграции и вводе в эксплуатацию центрального детектора, который начал собирать данные в 2021 году.

Затягивание сети

Последние данные, собранные за 280 дней, пока не выявили признаков темной материи. Однако эти результаты позволяют команде исключить некоторые возможности. В частности, они не нашли доказательств существования частиц с массой более 1,6 × 10-²⁶ килограмма, что примерно в 10 раз больше массы протона.

В будущем команда намерена собрать 1000 дней наблюдений, что расширит возможности поиска еще более неуловимых частиц темной материи. Если темная материя так и останется необнаруженной, они уже планируют следующее поколение экспериментов с темной материей. Консорциум XLZD (XENON-LUX-ZEPLIN-DARWIN) работает над созданием детектора почти в 10 раз большего размера, что увеличивает шансы на обнаружение этих загадочных частиц.

Поиск темной материи продолжает бросать вызов нашему пониманию Вселенной. Хотя конкретная природа темной материи остается неуловимой, прогресс, достигнутый экспериментом LUX-ZEPLIN, представляет собой значительный шаг вперед. По мере того как команда собирает все больше данных и совершенствует свои методы, она приближается к разгадке одной из величайших тайн современной физики.

одписывает надежды на то, что в конечном итоге они смогут раскрыть тайны темной материи. Исследование этих невидимых компонентов Вселенной не только углубляет наше понимание природы материи, но и может изменить наш взгляд на фундаментальные законы физики.

Каждое новое открытие приносит с собой дополнительные вопросы. Ученые продолжают разрабатывать новые методики и технологии, направленные на более эффективное обнаружение темной материи и её взаимодействий. Это включает в себя использование методов глубокого машинного обучения для анализа больших объемов данных, поступающих от детекторов.

Тем временем, общество все более заинтересовано в загадках космоса. Успехи таких экспериментов, как LZ, привлекают внимание не только научного, но и широкой публики, укрепляя связь между наукой и обществом. Каждый шаг к разгадке природы темной материи может также привести к развитию новых технологий и теорий, которые изменят наше представление о Вселенной.

В конечном итоге, хотя путь к раскрытию тайны темной материи еще долгий и извилистый, каждая собранная частичка данных приближает нас на шаг ближе к пониманию того, что составляет основную структуру нашего мира.