Темную материю не удалось увидеть через толщу льда

Еще одна попытка понять природу загадочной темной материи, из которой в значительной степени состоит вещество в нашей Вселенной, закончилась неудачей. По одной из популярных теорий, темная материя состоит из особых частиц, так называемых вимпов, которые, правда, пока никому не удалось обнаружить. Ученые, работающие на крупнейшем в мире нейтринном телескопе IceCube, опубликовали результаты поиска хотя бы их следов, то есть сигналов, которые они испускают, когда взаимоуничтожаются (аннигилируют) на Солнце. Ничего похожего на такие сигналы найти не получилось, вимпы так и остаются всего лишь гипотезой, а темная материя – темной.

Тёмная материя на то и темная, что ее невозможно ни увидеть, ни пощупать, и обнаружить ее удалось только благодаря ее гравитационному воздействию: наблюдая за вращением галактик, ученые заметили, что звезды на их краю вращаются вокруг центра быстрее, чем этого можно было бы ожидать на основе подсчитанной видимой массы галактики. Чтобы объяснить эту нестыковку, ученым пришлось предположить что значительная часть массы галактики не видна нам. Только в этом случае создаваемое ею гравитационное поле могло быть достаточным для объяснения высоких скоростей вращения звезд на краю. Поскольку эта скрытая масса не излучает свет, она и получила название темной материи. Позднее в пользу существования значительного количества невидимого вещества появились и другие аргументы.

По последним данным, полученным космической обсерваторией “Планк”, на долю темной материи приходится около 26,8% общей массы Вселенной. Обычного вещества – всего 4,9%, остальная масса принадлежит еще одной таинственной субстанции – темной энергии.

Естественно было бы предположить, что темная материя состоит из известных науке частиц. Например, она могла бы состоять из нейтрино – нейтрально заряженных частиц, слабо взаимодействующих с обычным веществом и поэтому не испускающих света. Количество нейтрино во Вселенной чрезвычайно велико, каждую секунду наше тело пронизывают без каких-либо для нас последствий более триллиона нейтрино, но их масса слишком мала, поэтому нейтрино может объяснить только около 1% наблюдаемой массы темной материи.

Еще около 20 процентов ее может быть связано с обычной материей в виде разреженного галактического газа и остатков звезд: белых и коричневых карликов, нейтронных звезд и небольших черных дыр. Но остается еще почти 80% скрытой массы, природа которой не разгадана.

Большинство ученых склоняются к мысли, что темная материя представляет собой неизвестные пока науке частицы. Наиболее популярны гипотезы, объясняющие темную материю суперсимметричными частицами – гипотетическими дублерами уже известных частиц, из которых состоит привычная материя. Некоторые из таких суперсимметричных частиц, получившие обобщенное название вимпы (от английского WIMP – Weakly Interacting Massive Particle), являются идеальными кандидатами на роль частиц темной материи.

Даже если вимпы существуют, они настолько слабо взаимодействуют с веществом, что обнаружить их крайне сложно. Тем не менее авторы эксперимента CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) в конце 2009 года сообщили, что дважды зарегистрировали нечто похожее на следы вимпов. Еще более впечатляющими стали результаты эксперимента CoGeNT (Coherent Germanium Neutrino Technology), авторы которого в 2010 году сообщили о регистрации нескольких сотен следов. Однако в обоих случаях был очень велик уровень шумов, и полученные результаты не были подтверждены независимыми группами. Не подтверждает пока существование суперсимметричных частиц и Большой адронный коллайдер, на котором также проходил поиск партнеров-суперчастиц.

Эксперимент IceCube работает по другому принципу. Он пытается обнаружить вимпы по косвенным признакам. Теоретически вимпы накапливаются в районе Солнца, где аннигилируют друг с другом, рождая нейтрино, обладающие очень высокой энергией. Если бы удалось обнаружить, что от Солнца идет больше высокоэнергичных нейтрино, чем из окружающего пространства, это служило бы косвенным доказательством существования вимпов.

Чтобы уловить нейтрино, которые почти ни с чем не взаимодействуют, ученые используют резервуары с огромным количеством воды. Один из крупнейших нейтринных телескопов Super-Kamiokande представляет собой бак, заполненный 50 тысячами тонн воды. Проходя через этот объем, изредка отдельные нейтрино сталкиваются с протоном молекулы воды и порождают электрон или (в случае мюонного нейтрино) мюон с высокой энергией. Рожденную частицу можно зафиксировать по ее излучению посредством оптических фотоумножителей.

Чтобы отфильтровать лишние сигналы, идущие, например, из космоса, нейтринные телескопы располагают глубоко под землей, которая играет роль естественного щита, поглощающего все лишнее. IceCube, размещенный на антарктической станции “Амундсен-Скотт”, в качестве “резервуара” использует природный слой антарктического льда. Интересно, что им регистрируются не те нейтрино, которые приходят “сверху”, а те, что приходят из-под земли. Свое название телескоп получил из-за того, что рабочий объем, из которого он может получать сигнал, представляет собой куб со стороной около 1 км.

Для регистрации излучения, порождаемого пойманными нейтрино, в телескопе IceCube используются 5000 фотоумножителей, расположенных на глубине от 1,5 до 2,5 км подо льдом и организованных в 86 “линеек”.

К сожалению, собранные за год работы данные по измерению потока нейтрино, идущих от Солнца, не выявили каких-то признаков существования вимпов. Темная материя так и остается пока темной во всех смыслах. Ученые, однако, не спешат унывать, продолжая свою работу как в Антарктиде, так и в других точках нашего земного шара и даже в космосе. Так что ждем новых данных и, возможно, новых гипотез, способных разрешить существующие противоречия.