Последний шанс для WIMP: физики развернули охоту за кандидатом в темную материю

XENON1T - это один из экспериментов, который охотился за темной материей

XENON1T – это один из экспериментов, который охотился за темной материей

Физики вынашивают план, чтобы дать популярному, но неуловимому кандидату на темную материю последний шанс проявить себя. В течение десятилетий физики выдвигали гипотезу, что слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs) являются основным кандидатом на темную материю – таинственное вещество, которое составляет 85% массы Вселенной. Но несколько экспериментов не смогли найти доказательств существования WIMP, а это значит, что, если они существуют, их свойства отличаются от тех, которые первоначально предсказывались. Теперь исследователи настаивают на последнем поколении сверхчувствительных детекторов или на одном “идеальном” детекторе, который не оставляет места для частиц, чтобы спрятаться.

“Гипотеза WIMP столкнется с реальным миром, когда эти детекторы следующего поколения будут запущены”, – говорит Мариангела Лисанти, физик из Принстонского университета в Нью-Джерси.

Физики давно предсказали, что невидимая материя, имеющая массу, но не взаимодействующая со светом, пронизывает вселенную. Гравитационные эффекты темной материи могли бы объяснить, почему вращающиеся галактики не распадаются на части, а также неравномерную картину, наблюдаемую в микроволновом послесвечении ранней Вселенной. WIMP стали любимыми кандидатами на роль темной материи в 1980-х и предсказывают, что они будут в 1000 раз тяжелее протонов и будут слабо взаимодействовать с материей через слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад, или что-то еще более слабое.

Переохлажденный ксенон

В ближайшие месяцы начнутся работы над тремя существующими подземными детекторами в США, Италии и Китае, которые будут искать частицы темной материи, обнаруживая взаимодействия в переохлажденных емкостях с ксеноном. Используя технику, отточенную более десяти лет назад, эти детекторы будут наблюдать характерные вспышки света, когда ядра отскакивают от взаимодействий с частицами темной материи.

Физики надеются, что эти эксперименты и WIMP – детекторы, использующие такие материалы, как германий и аргон, сделают первое прямое обнаружение темной материи. Но если этого не произойдет, исследователи ксенона уже готовы продолжить доработку детекторов WIMP. Эти эксперименты, вероятно, будут последним поколением подобного рода, потому что они будут настолько чувствительны, что достигнут “дна нейтрино” – естественного предела, за которым темная материя взаимодействует с ядрами ксенона так мало, что нейтрино будет трудно обнаружить. Нейтрино почти не взаимодействуют с материей, но каждую секунду они падают на землю триллионами. “Было бы безумием не заполнить этот пробел”, – говорит Лаура Бодис, физик из Цюрихского университета в Швейцарии. – Будущие поколения могут спросить нас, почему вы этого не сделали?

Наиболее продвинутым из этих проектов является запланированный эксперимент под названием “Дарвин”. Детектор, оценочная стоимость которого достигает 150 млн евро, разрабатывается международным сотрудничеством, которое проводит один из трех экспериментов, начатых в этом году на 6-тонном детекторе под названием XENONnT в Национальной лаборатории Гран-Сассо под Римом. “Дарвин” будет содержать почти в десять раз больше ксенона. “Члены коллаборации получили гранты от нескольких финансирующих агентств на разработку технологии обнаружения, включая точные методы обнаружения, которые будут работать в гораздо большем масштабе DARWIN”, – говорит Бодис, ведущий специалист проекта XENONnT и соавтор эксперимента DARWIN.

Глобальный эксперимент

Этот проект также включен в Национальную дорожную карту Швейцарии для будущей научной инфраструктуры, и Министерство научных исследований Германии выпустило призывы к финансированию специально для исследований, связанных с “Дарвином” и эти шаги предполагают, что страны, вероятно, внесут дополнительные денежные средства в будущем. И хотя официально у проекта “Дарвин” еще нет дома, он может оказаться на Гран-Сассо. В апреле лаборатория официально пригласила сотрудников представить отчет о разработке концепции к концу 2021 года. “Это очень ясно говорит нам о том, что лаборатория очень заинтересована в проведении такого эксперимента”, – говорит содокладчик Марк Шуман, физик из Фрайбургского университета в Германии. Команда надеется собрать данные к 2026 году.

В то время как “Дарвин” в настоящее время это основной проект экспериментов с ксеноном, Бодис надеется, что китайские коллеги, которые запускают эксперимент под названием PandaX-4t в этом году, или команда, участвующая в американском эксперименте с ксеноном под названием Lux-Zeppelin, смогут присоединиться к ним. создание единого “конечного” детектора. Эти группы также рассматривали возможность проведения экспериментов, которые позволили бы им достичь нейтринного дна, но “цель, конечно, состоит в том, чтобы сделать один большой глобальный эксперимент с темной материей на основе ксенона”, – говорит Бодис.

Физикам, пожалуй, ничего не оставалось, как объединиться из-за огромного количества ксенона. Благородный газ трудно получить в больших количествах из-за энергоемкого процесса, необходимого для его извлечения из воздуха, а также из-за конкурирующего спроса со стороны электронной, осветительной и космической промышленности. Один килограмм может стоить более 2500 долларов. 50 тонн ксенона для эксперимента “Дарвин” будут близки к ежегодному мировому производству около 70 тонн, что означает, что – даже если все 3 существующих детектора объединят свои 25 тонн – будущий эксперимент должен будет покупать оставшиеся партии в течение нескольких лет. Теперь мы должны все очень тщательно спланировать, – говорит Бодис.

Исследователи, стоящие за такими экспериментами, которые используют аргон для поиска темной материи, также надеются построить детектор, который достигнет дна нейтрино. 300-тонный эксперимент, известный как ARGO, вероятно, начнется около 2029 года и может подтвердить любой сигнал, обнаруженный Дарвином.

Почему именно WIMPs (слабо взаимодействующие массивные частицы)?

Слабо взаимодействующие массивные частицы были в центре внимания десятков экспериментов, потому что есть весомые теоретические доказательства их существования. Они не только объясняют, почему галактики выглядят движущимися подобным образом, но их существование также согласуется с теорией физики элементарных частиц. Группа теорий, известных как суперсимметрия, разработанная в 1970-х годах для заполнения дыр в стандартной физической модели фундаментальных частиц и их взаимодействий, предсказывает WIMP-подобные частицы. И когда физики элементарных частиц моделируют раннюю Вселенную, они обнаруживают, что частицы со слабыми свойствами выживут в горячем среде взаимодействий ровно настолько, чтобы соответствовать обилию темной материи, наблюдаемой сегодня.

Но нулевые результаты от прямых детекторов темной материи и от ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер – означают, что если слабо взаимодействующие массивные частицы существуют, то они либо могут взаимодействовать с веществом, либо их масса должна быть на самом низком уровне исходных предсказаний. Неспособность обнаружить WIMPs заставила сообщество физиков задуматься об их статусе, говорит Тянь Тянь Юй, физик из Орегонского университета в Юджине. Многие, включая Юй, теперь ищут других кандидатов на темную материю, в том числе с помощью более мелких и дешевых экспериментов.

Тем не менее, WIMPs остаются теоретически достаточно привлекательными, чтобы продолжать охоту в течение многих лет, говорит Юй. И проект “Дарвин” подчеркивает, что его сверхчувствительный детектор будет иметь много применений, включая решение насущных проблем в физике нейтрино, говорит Бодис. Одна из загадок, которую DARWIN мог бы помочь решить, заключается в том, являются ли нейтрино также их собственной античастицей.

Будь то один или несколько экспериментов, “я готов поспорить, что детектор, подобный DARWIN, будет построен”, – говорит Шуман.

Читайте также: