Наука - Темная сторона Вселенной

Наука - Темная сторона Вселенной

За гранью света
На своих страницах «ПМ» уже рассказывала о загадочных частицах нейтрино, для изучения которых строят подводные, подземные и даже подледные установки. Вполне возможно, что у нейтрино есть и другие нейтральные собратья. И хотя про них практически ничего не известно, ученые не оставляют попытки обнаружить их следы с помощью сверхчувствительных детекторов.

Миллионы звезд, видных невооруженным глазом, и миллиарды светящихся объектов, наблюдаемых в телескопы, это далеко не все, чем заполнена Вселенная. Еще в 1930-х годах при наблюдениях за движением звездных скоплений возникло подозрение, что мы видим лишь незначительную часть космических объектов. Последующие тщательные измерения только подтвердили эти предположения. К примеру, если взять объект, расположенный на краю какой-нибудь галактики, и определить скорость его движения вокруг центра, то по формуле для первой космической скорости можно вычислить массу притягивающего тела, то есть самой галактики. Эту же массу можно рассчитать на основе наблюдений за другим объектом, находящимся далеко за видимой границей этой же галактики, но тоже вращающимся вокруг нее. Когда такие измерения были проделаны, оказалось, что два результата не совпадают и вторая масса почти в десять раз больше первой. Это означало, что вокруг светящихся тел галактик есть огромные короны (или гало) из невидимого темного вещества, которые содержат ни много ни мало – 90% массы этих космических объектов.

Тайна, покрытая мраком

Темное вещество не излучает никаких электромагнитных волн, в том числе и света, а потому обнаружить его можно только по создаваемому им гравитационному воздействию на другие объекты. Оно составляет основную массу не только отдельных галактик, но и их огромных скоплений. И, вероятно, заполняет огромные пространства между скоплениями галактик.

До сих пор не ясно, из чего состоит темная материя, а список возможных кандидатов включает как массивные черные дыры, гораздо тяжелее Солнца, так и гипотетические элементарные частицы, более легкие, чем электрон. Как написано в одной из научных книг по астрофизике, «спектр возможных претендентов на роль темной материи ограничен не столько какими-то физическими условиями, сколько нашим воображением и допустимыми теоретическими представлениями». Самое простое объяснение состоит в том, что во Вселенной просто очень много обыкновенных тусклых или холодных объектов, невидимых в телескопы: планет, коричневых и белых карликов, черных дыр. Эти массивные источники скрытой массы, названные MACHO, пытаются найти по создаваемому ими эффекту гравитационной линзы с помощью астрономических наблюдений.

Гости из космоса

Другие кандидаты на роль темной материи гораздо легче и меньше. Вполне вероятно, что наша Вселенная заполнена большим числом еще неизвестных нам элементарных частиц, путешествующих по ее просторам со времен Большого Взрыва. Эти частицы настолько слабо (иначе говоря, редко) взаимодействуют с обычным веществом, что с трудом поддаются детектированию. Они получили название WIMP-частиц (Weakly Interacting Massive Particles – слабо взаимодействующие массивные частицы). Это могут быть какие-то новые виды нейтрино, а может, гипотетические нейтралино, гравитино, фотино или аксионы, которые появляются в различных теориях.

Если эти космические путешественники действительно существуют, на пути их следования наверняка окажется земная лаборатория. Но обнаружить их появление не так-то просто. Подобно обычным нейтрино, они без труда пронизывают земной шар, не взаимодействуя с зарядами и не ионизируя вещество. Про их взаимоотношения с другими частицами и ядрами мы ничего не знаем и не можем подготовить стопроцентную ловушку: ведь чтобы задать вопрос, нужно знать бОльшую часть ответа. И тем не менее у нас есть шансы выйти на след.

Партия в бильярд

Не во всех столкновениях элементарных частиц обязательно происходят какие-то превращения. Иногда частицы просто сталкиваются друг с другом и разлетаются в разные стороны, оставаясь самими собой. Могут измениться только их скорости и направление движения, как у столкнувшихся бильярдных шаров. Путешествующие по Вселенной частицы темной материи (если они действительно есть) должны изредка наталкиваться на ядра вещества. Если у частицы достаточно энергии, ядро просто сдвинется с места и, перемещаясь, вызовет ионизацию и колебания решетки (фононы), что и будет служить сигналом о столкновении.

Предполагается, что частицы темной материи передают ядрам вещества небольшую энергию, да к тому же и делают это достаточно редко. Частота таких попаданий может составить примерно одно событие на килограмм рабочего вещества детектора за десять дней (а по другим расчетам – даже за целый год!), хотя по некоторым оценкам каждую секунду через каждый квадратный сантиметр окружающего пространства может пролетать порядка 100 000 WIMP-частиц. А ведь окружающий нас мир наполнен и другими частицами и излучениями, которые, в отличие от гипотетических частиц темной материи, гораздо охотнее взаимодействуют с веществом детектора и создают фон, на котором очень сложно заметить полезный сигнал.

Если детектор установить на поверхности Земли, то через каждый его квадратный сантиметр примерно каждые 10 секунд будет пролетать космический мюон. По этой причине приходится располагать установки глубоко под землей и использовать сверхчистые материалы и дополнительную защиту от естественной радиоактивности.

Итак, если темная материя все же состоит из неизвестных элементарных частиц, если этих частиц достаточно много вокруг нас, если они обладают достаточной энергией, то у нас есть шанс заметить это... если удастся найти подходящий детектор.

Криогенные детекторы

Сначала для поиска WIMP-частиц использовались детекторы, регистрирующие только ионизацию, которая составляет меньше половины полезного сигнала, при том, что основная часть переданной энергии преобразуется в колебания кристаллической решетки и вызывает нагрев детектора. Но этот нагрев так мал, что обнаружить его при комнатной температуре совершенно невозможно. Другое дело – криогенный детектор, охлажденный до 50 мК (мК – одна тысячная градуса Кельвина). Согласно хорошо известному закону о теплоемкости тел, при температурах, близких к абсолютному нулю, нагрев происходит гораздо эффективнее: та же энергия, которая нагревает вещество при комнатной температуре на одну десятитысячную градуса, нагреет его при температуре жидкого гелия (4,2 К) почти на целый градус! А если понизить температуру до 50 мК, чувствительность возрастет еще в полмиллиона раз! Поэтому криогенный калориметр способен гораздо лучше «чувствовать» слабые сигналы, вызванные столкновениями с гостями из космоса.

Так случилось, что первым криогенным детектором нечаянно стал простой низкотемпературный термометр. Летом 1974 года на научной конференции по жидкому гелию появилось сообщение об одном интересном наблюдении, которое начиналось такими словами: «До сих пор эффекты нагрева за счет космических частиц не рассматривались всерьез». Наблюдая за поведением термометра при температуре 15 мК, автор сообщения, Т. Нииникоски, обнаружил, что термометр примерно каждые три минуты дает скачки температуры на несколько мК. Проведя расчеты, он пришел к выводу, что его нагревают прилетающие из космоса заряженные частицы. Причем измерять можно было только ночью, поскольку днем охладить термометр ниже 20 мК не удавалось. В сообщении вообще не было речи о детекторах, а говорилось, что космические частицы могут вносить заметные искажения в работу установок при низких температурах. Но идея лежала на поверхности, и вскоре стало ясно, что такой низкотемпературный детектор-калориметр может помочь в обнаружении редких событий с малым выделением энергии, например с участием нейтрино.

Сейчас криогенные детекторы – один из основных инструментов для поиска частиц темной материи. В мире есть несколько лабораторий, занятых такими исследованиями, в частности Национальная лаборатория Гран-Сассо в Италии. Установка CRESST в Гран-Сассо находится примерно в полутора километрах под землей, где поток фоновых космических мюонов в миллион раз слабее, чем на поверхности. Сам детектор представляет собой набор из цилиндрических кристаллов шеелита (CaWO₄) диаметром 4 см и такой же высоты и весом по 300 грамм. Это вещество выбрали потому, что оно является люминофором и способно светиться при ионизации. Таким образом детектор регистрирует весь сигнал от столкновения: и излучение за счет ионизации, и нагрев. Каждый кристалл вместе со своим сверхпроводящим термометром и детектором излучения окружен зеркальной оболочкой. Все они закрыты двумя кожухами для защиты от фоновых излучений: толщиной 14 см из специальной чистой меди и толщиной 20 см из сверхчистого свинца. Вся эта конструкция находится в криостате и охлаждена до 10 мК. Регистрируя одновременно излучение и нагрев, можно отделить фоновые события, поскольку при движении ядра основная часть энергии переходит в нагрев, а при движении фоновых электронов или гамма-квантов – в излучение. Пока в пробных экспериментах были использованы всего два кристаллических модуля с поэтическими названиями «Юлия» и «Дези», а всего их планируется установить 33 штуки.

Пока только одна группа с итальянского детектора DAMA год назад объявила о наблюдении событий, похожих на проявление темной материи, но на других установках эти данные не нашли подтверждения. Так что темная материя пока скрыта не только от наших глаз, но и от чувствительного ока наших хитроумных детекторов.

Темнее темного

Есть и другие предположения о причинах появления скрытой массы. А если в галактических масштабах нарушается закон тяготения Ньютона? Тогда не верны формулы для космической скорости, с помощью которых получили не совпадающие значения масс, а значит, это ошибка и никакой скрытой массы вовсе нет. Такая гипотеза, как и многие другие, имеет право на существование, вот только проверить ее гораздо сложнее, чем поймать частицу темной материи.

Но вы глубоко ошибаетесь, если думаете, что, разгадав тайну скрытой массы, мы будем знать о Вселенной все. Похоже, главный источник энергии и движения во Вселенной – не звезды и даже не темная материя, а вакуум, та самая «пустота», вокруг которой еще в античные времена велись философские споры. Существует ли пустота? Настоящая, в которой абсолютно ничего нет? Последователи Демокрита – атомисты – считали, что все состоит из частичек – атомов, движущихся в совершенно пустом пространстве, а знаменитый Аристотель утверждал, что существование абсолютной пустоты невозможно. Понадобились тысячелетия, чтобы изучить строение материи, узнать об атомах и сформулировать понятие вакуума, который заполняет бОльшую часть и микроскопического пространства между частицами вещества, и звездного пространства в космических масштабах. Казалось, чаша весов склонилась в пользу атомистов. Но при более тщательном рассмотрении вакуум оказался не так пуст, как предполагалось. Экспериментальные достижения современной физики и астрономии, а также теоретические модели, которые изменили наше представление о вакууме, не имеют ничего общего с доводами Аристотеля, но в одном они сходятся: вакуум – это не абсолютная пустота. В нем энергия не просто есть – ее больше, чем где бы то ни было. 70% всей энергии нашей Вселенной заключено именно в вакууме.

Но несмотря на скромную по сравнению с вакуумом роль темной материи, разобраться с ней все же стоит. И если все-таки удастся поймать частицы темной материи, мы перестанем ощущать себя в пустоте, поскольку темные просторы Вселенной наполнятся не меньшим смыслом, чем яркие звезды ночного неба.