Тьма в недрах: километр установки под землёй, которая может увидеть то, что скрыто от галактик

Австралия выбрала неожиданное место, чтобы приблизиться к одной из самых трудных загадок современной физики. В старом золотом руднике, глубоко под землёй, появляется лаборатория, где учёные надеются поймать следы тёмной материи — вещества, которое не светится, не поглощает свет, но определяет движение галактик. В погоне за почти неуловимыми частицами исследователи ушли под землю почти на километр: там меньше космического шума, который способен закрыть собой редкие вспышки настоящих событий.

Новый комплекс носит название SABRE South. Он станет южной половиной эксперимента, который впервые попытались реализовать в Италии. Теперь вторая установка в далёкой Австралии позволит проверить одну и ту же гипотезу в противоположных сезонах — и либо подтвердить загадочный сигнал, либо окончательно снять давно висящий вопрос.

Как устроена подземная лаборатория

Лаборатория заняла камеры старой шахты в Виктории. Горная порода толщиной более километра работает как естественный щит, задерживая высокоэнергетические частицы. Это позволяет учёным сосредоточиться на слабых сигналах внутри детектора, не опасаясь, что их перебьют космические мюоны.

Работой руководит профессор Мельбурнского университета Филипп Уркихо, десятилетиями занимающийся разработкой сверхчувствительных детекторов. Команде важно создать пространство, где любая вспышка света в кристаллах датчиков будет не ошибкой, а реальным событием. Поэтому воздух очищают, оборудование изготавливают из материалов с минимальной собственной радиоактивностью, а сами датчики изолируют от возможных внешних импульсов.

Что именно ловит SABRE South

В сердце установки — семь крупных кристаллов йодида натрия. Эта соль светится, когда в неё попадает частица: едва заметная вспышка фиксируется фотоумножителями, способными уловить даже единичный фотон.

Вокруг кристаллов расположена ёмкость с жидким сцинтиллятором. Он служит дополнительным барьером и помогает распознавать гамма-лучи, которые могли бы исказить показания. Снаружи — панели-вито, которые ловят быстрые частицы, способные быть принятыми за редкий сигнал.

Главная цель — поймать вимпы, гипотетические кирпичики тёмной материи. Если вимп заденет ядро кристалла, тот вспыхнет. На практике этот процесс похож на попытку услышать падение снежинки в шумном городе — поэтому весь комплекс специально построен в абсолютной тишине.

Зачем нужны два детектора в разных частях света

Итальянский эксперимент DAMA много лет назад сообщил о сезонных изменениях частоты вспышек. Учёные связали это с движением Земли вокруг Солнца и сквозь галактический "ветер" тёмной материи.

SABRE South расположен в Южном полушарии, где сезоны противоположны итальянским. Если оба детектора увидят одинаковую модуляцию одновременно — это весомый аргумент в пользу существования тёмной материи.

Если же закономерность исчезнет или проявится по-другому, значит, сигнал порождён местными факторами: температурой, влажностью, радиоактивностью окружения.

"Это проверка одного из самых загадочных результатов или измерений в нашей области, который постоянно демонстрирует признаки, соответствующие тёмной материи", — заявил профессор Филипп Уркихо.

Как учёные проверяют гипотезу: пошаговый подход

1. Подготавливают кристаллы из сверхчистых материалов, избавляя их от следов калия и свинца.
2. Размещают датчики в защищённой среде, заполняют установку очищенной жидкостью.
3. Настраивают фотоумножители, чтобы те реагировали только на настоящие вспышки.
4. Под землёй проводят пробные измерения для калибровки.
5. Запускают многолетние наблюдения: данные отслеживают каждую смену сезона.
6. Сравнивают результаты с северной установкой и отсеивают сигналы, совпадающие с мюонами и радиоактивными всплесками.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

1. Ошибка: использовать материалы с естественной радиоактивностью.
   Последствие: вспышки шума принимаются за сигнал.
   Альтернатива: сверхчистые компоненты, подобные тем, что применяют в производстве медицинских детекторов и высокоточных линз.
2. Ошибка: отсутствие защиты от быстрых частиц.
   Последствие: мюоны "засоряют" данные.
   Альтернатива: системы вето, похожие на экраны в рентгеновских аппаратах.
3. Ошибка: измерения в одном полушарии.
   Последствие: сезонные и климатические факторы искажают результаты.
   Альтернатива: зеркальная система из двух установок — как в SABRE.

Если тёмная материя устроена иначе

Физики допускают, что вимпы — лишь один из возможных вариантов. Если SABRE South не увидит колебаний, сценарий может оказаться более сложным: тёмная материя может состоять из лёгких аксионов, тёмных фотонов или неизвестных полей. Тогда научное сообщество переключится на новые типы детекторов — например, сверхпроводящие ловушки или квантовые измерители.

FAQ

Как выбрать детектор для подобных исследований?
В лабораториях используют материалы с минимальным уровнем внутренних примесей. Для бытовой науки аналоги не существуют — оборудование относится к высокотехнологичному классу.

Сколько стоит создание подземной лаборатории?
Проекты этого уровня оцениваются в десятки миллионов долларов: основные расходы связаны с очисткой материалов, сцинтилляторами и фотоумножителями.

Что лучше для поиска тёмной материи — кристаллы или жидкие детекторы?
Кристаллы чувствительнее к слабым вспышкам, жидкие среды лучше распознают гамма-излучение. Современные установки комбинируют оба подхода.

Мифы и правда

Миф: тёмная материя — это "невидимая пыль", которую можно потрогать.
Правда: она не взаимодействует со светом, и её нельзя увидеть ни прибором, ни глазами.

Миф: такие эксперименты опасны.
Правда: они проводят пассивные измерения и никак не влияют на окружающую среду.

Миф: тёмную материю можно создать в лаборатории.
Правда: современные ускорители не достигают нужных условий.

Австралийская лаборатория в глубине старого рудника может стать решающим звеном в поиске тёмной материи. Если её результаты совпадут с итальянскими измерениями, учёные впервые получат убедительное подтверждение загадочного космического сигнала. Если нет — физикам придётся пересмотреть десятилетние теории и искать новые пути, чтобы объяснить, из чего состоит большая часть Вселенной.