Тёмная материя ускользает от науки: жидкий ксенон хранит её тайну

Определение природы тёмной материи остаётся одной из самых захватывающих задач современной науки. Этот загадочный компонент Вселенной, невидимый для телескопов, но составляющий большую часть её массы, десятилетиями интригует физиков.

Новые результаты эксперимента LUX-ZEPLIN (LZ) ещё больше сузили круг возможных кандидатов на роль тёмной материи, подтверждая: если она состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP), то искать её нужно именно в тех диапазонах, куда пока не доходила наука.

"Хотя мы всегда надеемся открыть новую частицу, для физики элементарных частиц важно иметь возможность установить границы того, чем на самом деле может быть тёмная материя", — сказал физик-экспериментатор Хью Липпинкотт.

Почему тёмная материя так важна

Учёные давно знают, что привычная нам материя — атомы и молекулы — составляет лишь малую часть космоса. Остальное приходится на тёмную материю и тёмную энергию. Без этого скрытого "каркаса" галактики попросту не могли бы удерживаться в том виде, в котором мы их наблюдаем.

Однако поймать частицы тёмной материи — задача сродни поиску иголки в космическом стоге сена. Они не испускают света и взаимодействуют крайне слабо. Поэтому на помощь приходят сложнейшие подземные детекторы.

Как устроен детектор LUX-ZEPLIN

Эксперимент LZ расположен в шахте глубиной полтора километра в Южной Дакоте. Такая глубина защищает от космических лучей и постороннего излучения.

Сердце установки — 10 тонн жидкого ксенона, заключённые в два титановых резервуара. Вокруг — акриловые баки с жидким сцинтиллятором и гадолинием, которые помогают отсеивать ложные сигналы. Система напоминает "луковицу", где каждый слой блокирует или отслеживает ненужные частицы.

Предполагается, что вимп, если он существует, сталкивается с ядром ксенона, создавая едва уловимый импульс. Именно его учёные и пытаются зарегистрировать.

Советы шаг за шагом: как ищут тёмную материю

1. Изолировать установку от космических лучей — строить лаборатории глубоко под землёй.
2. Использовать "чистые" материалы — детали изготавливаются из компонентов с минимальным излучением.
3. Применять многослойные защиты — внутренний ксенон, внешний сцинтиллятор, системы мониторинга.
4. Собирать данные долгосрочно — эксперимент LZ рассчитан на тысячу дней наблюдений.
5. Исключать предвзятость — применяют метод "соления", добавляя поддельные сигналы для проверки честности анализа.

А что если…

А что если тёмная материя не состоит из вимпов? В таком случае на первый план выйдут альтернативные модели: аксионы, тёмные фотоны, экзотические поля. Тогда будущие детекторы будут искать другие типы сигналов. LZ уже частично готов к этому, ведь он способен фиксировать и редкие процессы с нейтрино.

FAQ

Как выбрать метод поиска тёмной материи?
Метод зависит от гипотезы: для вимпов нужны подземные детекторы, для аксионов — резонаторы и магнитные ловушки.

Сколько стоит подобный эксперимент?
Бюджет LZ исчисляется сотнями миллионов долларов, поскольку требует сверхчистых материалов и сложной инфраструктуры.

Что лучше: LZ или другие установки?
Нет "лучшего" — все эксперименты дополняют друг друга. LZ бьёт рекорды чувствительности, но параллельно работают другие проекты, например XENONnT и PandaX.

Мифы и правда

• Миф: тёмная материя скоро будет найдена.
  Правда: поиски могут занять десятилетия, так как сигналы крайне редки.
• Миф: она обязательно состоит из WIMP.
  Правда: существуют десятки других кандидатов.
• Миф: если мы её не увидим, значит, её нет.
  Правда: тёмная материя подтверждается косвенными астрономическими наблюдениями.

3 интересных факта

• Каждая частица тёмной материи проходит через нас прямо сейчас, но мы этого не чувствуем.
• Жидкий ксенон выбран потому, что он чистый и тяжёлый — идеален для столкновений с вимпами.
• В экспериментах используют термин "соление" — добавляют поддельные сигналы для проверки честности анализа.

Исторический контекст

• 1930-е: исследователь Фриц Цвикки впервые ввёл термин "тёмная материя", анализируя скопления галактик.
• 1970-е: исследователь Вера Рубин показала, что звёзды движутся так, будто галактики содержат невидимую массу.
• 1980-е: появились теории о вимпах как возможных носителях тёмной материи.
• 1988: первые результаты поиска в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре.
• 2012: старт проекта LUX-ZEPLIN.
• 2020-е: новые рекордные результаты, сужающие параметры поиска.

Уточнения

Тёмная мате́рия - в астрономии и космологии, а также в теоретической физике гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступная прямому наблюдению. Составляет порядка четверти массы-энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии.