Найкращим місцем для пошуку темної матерії можуть бути надра Землі

Майже у двох десятках підземних лабораторій, розкиданих по всьому світу, заставлених чанами з рідиною або блоками з металу і напівпровідників, вчені шукають сліди темної матерії. Їх експерименти стають все складніше і складніше, а пошук проходить всі точніше, але поки ніхто не знайшов прямих доказів існування таємничої субстанції, з якої складається 84% всієї матерії у Всесвіті. Згідно з новим дослідженням, ми повинні дивитися в корінь, то є ще глибше.

Темна матерія відрізняється від звичайної баріонної матерії — речовини, з якої складаються зірки, галактики, собаки, люди і все інше — тим, що не взаємодіє ні з чим ніяк, крім як через гравітацію (і, можливо, слабку ядерну силу). Ми цього не бачимо, але фізики майже впевнені, що вона існує і як скульптор ліпить галактики на їх шляху через космос.

протягом багатьох десятиліть кращими кандидатами на частинки темної матерії були гіпотетичні скромні частинки — «вимпы» (WIMP), або слабо взаємодіючі масивні частинки. Багато експерименти намагаються знайти вимпы по слідах їх зіткнення із звичайною речовиною. У такому сценарії wimp повинен торкнутися атомного ядра за допомогою слабкої сили. Перелякане ядро відскочить і випустить енергію в деякій формі, спалах світла або звукову хвилю. Виявлення таких ледь помітних явищ вимагає чутливих інструментів, які зазвичай закладаються глибоко під землю. В основному це відбувається тому, що інструменти будуть захищені від космічних променів, які можуть викликати реакцію ядер.

Після десятирічних пошуків цих слабких сигналів, вчені практично нічого не знайшли. І ось, команда фізиків з Польщі, Швеції та США запропонувала іншу ідею. Вони вважають, що потрібно дивитися не на германій, ксенон і сцинтилятори в детекторах під земною корою. Вони вважають, що потрібно дивитися на саму земну кору. У літописах порід, де записуються і покриваються шарами історії нашої Сонячної системи, ми могли б знайти скам'янілі запису потривожених атомних ядер, заморожені сліди WIMPов.

«Ми завжди шукаємо альтернативні підходи», говорить Кетрін Фриз, фізик-теоретик з Мічиганського університету і розробник ідей, які лягли в основу існуючих детекторів.

Підземний палеодетектор буде працювати аналогічно сучасним методам прямого виявлення. Замість того, щоб оснащувати лабораторію з великим об'ємом рідини або металу для спостереження спалахів WIMP в реальному часі, можна пошукати скам'янілі сліди WIMP, врізаються в атомні ядра. Деякі класи мінералів могли б зафіксувати такі сліди.

Якщо ядро відскакує з достатньою енергією, і якщо обурені атоми потім виявляються глибоко під землею (щоб захистити зразок від космічних променів, які можуть заплутати дані), слід відскоку може бути збережений. Якщо так, то вчені можуть розкопати камінь, розібрати його по верствам часу і досліджувати події минулого, використовуючи складні методи нановизуализации, начебто атомно-силової мікроскопії. Кінцевим результатом буде слід скам'янілості: слід зауропода під час його втечі від хижака, тільки в термінології темної матерії.

Крихітні сліди

Близько п'яти років тому Фриз почала шукати ідеї для нових типів детекторів разом з Анджеєм Друкиером, фізиком зі Стокгольмського університету, який почав свою кар'єру з вивчення виявлення темної матерії, перш ніж зайнятися биофизикой. Одна з їх ідей, розроблена разом з біологом Джорджем Черчем, стосувалася детекторів темної матерії, заснованих на ДНК і реакціях ферментів.

У 2015 році Друкиер відправився в російський Новосибірськ, щоб попрацювати над прототипом біологічного детектора, який буде розміщений під земною поверхнею. У Росії він дізнався про свердловинах, пробурених під час холодної війни, деякі з яких йдуть на 12 кілометрів вниз. Ніякі космічні промені можуть проникнути так далеко. Друкиер був заінтригований.

Звичайні детектори темної матерії відносно великі і дуже чутливі до раптових подій. Вони проводять свої пошуки протягом декількох років, але здебільшого шукають сигнали WIMP в реальному часі. Мінерали, хоч і відносно невеликі, і менш чутливі до взаємодії, можуть уособлювати пошук, який тривав сотні мільйонів років.

«Цим шматках порід, витягнутих з дуже, дуже глибоких кернів, практично мільярд років», говорить Друкиер. «Чим глибше йдеш, тим вони давніші. Не потрібно будувати детектор. Детектор вже є, в землі».

Але в землі є свої проблеми. Планета сповнена радіоактивного урану, який виробляє нейтрони по мірі розпаду. Ці нейтрони також можуть вибивати ядра. Фриз каже, що первісна робота вчених, що описує палеодетекторы, не враховувала шум, який створюється розпадом урану, але безліч коментарів інших зацікавлених вчених змусили їх повернутися і переглянути документ. Команда провела два місяці, вивчаючи тисячі мінералів, щоб зрозуміти, які з них ізольовані від розпаду урану. Вони стверджують, що найкращі палеодетекторы будуть складатися з морських евапоритів — по суті, кам'яної солі — чи порід, що містять дуже мало кремнезему, які називаються ультраосновными породами. Крім того, вони шукають мінерали, що містять багато водню, оскільки водень ефективно блокує нейтрони, які виникають при розпаді урану.

Пошук слідів у ґрунті може привести нас до маломассивным вимпам, вважає Трейс Слатьер, фізик-теоретик з Массачусетського технологічногоінституту, не брала участі в дослідженнях.

«Ви шукаєте ядро, яке начебто безпричинно стрибає, але воно повинно підстрибнути на певну величину, щоб його помітили. Якщо м'ячик для пінг-понгу зіткнеться з кулею для боулінгу, ви не помітите особливого зміщення останнього — якщо тільки у вас немає можливості зареєструвати найдрібніші зміни в русі кулі для боулінгу».

найскладніший експеримент

Робота в польових умовах буде непростою. повинні будуть проводитися глибоко під землею, де зразки керна будуть захищені від космічного та сонячного випромінювання. І для виявлення свідоцтв растолканных ядер знадобляться сучасні методи нановизуализации.

За словами Слатьер, навіть якщо WIMP залишить помітний шрам, основною проблемою палеодетекторов буде доказ того, що викопні сліди дійсно народжені частинками темної матерії. Дослідникам доведеться витратити багато часу, щоб переконати себе, що взаємодії з ядрами — це не робота нейтронів, нейтрино Сонця або чогось ще.

«Доведеться опуститися досить глибоко, щоб захиститися від космічних променів. Але це не лабораторія. Це не контрольовані умови. Ви можете не знати повної історії кам'яних відкладень. Навіть якщо ви виявите у них сигнал, доведеться виконати набагато більше роботи, щоб переконатися, що ви не бачите якийсь фон».

Друкиер та Фриз вважають, що сила палеодетекторов може полягати в цифрах. Порода містить безліч мінералів, кожен з яких містить атомні ядра, які по-різному відскакують від мародерства вимпов. Тому різні елементи будуть служити різними детекторами, але всі вони будуть укладені в один зразок керна. В майбутньому палеодетектор міг би навіть надати записи про вимпах у часі, точно так само, як скам'янілості дозволяють палеонтологам реконструювати історію життя на Землі.

На думку Слатьер, довга літопис могла б запропонувати унікальний погляд на гало темної матерії Чумацького Шляху, хмара невидимого матеріалу, через який пропливає Земля, коли сонячна система робить свій рух по орбіті в 250 мільйонів років навколо центру галактики. Розуміння розподілу гало темної матерії Чумацького Шляху може дати уявлення про її фізичний поведінці, каже Слатьер. Можливо, це також продемонструє, чи може темна матерія взаємодіяти способами, які виходять за межі гравітації.

«Саме тут теорія і моделювання знаходяться у стадії активного розвитку», говорить вона. «Знайдемо ми темну матерію», запитує Друкиер. «Я провів тридцять п'ять років в її пошуках. Напевно, це самий складний експеримент у світі, тому нам може не пощастити. Але це круто».

Думаєте, знайдемо коли-небудь? Розкажіть в нашому