Тайна темной материи углубляется с опровержением сообщения об обнаружении
Новый эксперимент не подтверждает предыдущий отчет о WIMP в космосе
Сотрудник лаборатории готовит модуль, содержащий йодид натрия, для использования в эксперименте ANAIS по обнаружению темной материи в подземной лаборатории в Испании.
В детективных историях главный подозреваемый почти всегда оправдывается до конца книги. Обычно потому, что ключевое свидетельство оказалось неверным.
В науке предполагается, что основные доказательства верны. Но иногда это не так. В тайне невидимой «темной материи» в космосе доказательства причастности одного главного подозреваемого были прямо опровергнуты. Вимпы, крошечные частицы, широко рассматриваемые в качестве основных кандидатов на темную материю, не смогли появиться в эксперименте, разработанном специально для проверки единственного предыдущего исследования, в котором утверждается, что они обнаружены.
На протяжении десятилетий физики осознавали, что большая часть материи Вселенной не похожа на земную материю, которая состоит в основном из протонов и нейтронов. Гравитационные воздействия на видимую материю (звезды и галактики) указывают на то, что космос пронизывает некая темная материя неизвестного происхождения. Обычная материя составляет менее 20 процентов всего космического вещества.
По не связанным с этим причинам теоретики также давно предположили, что природа обладает загадочными типами крошечных частиц, предсказываемых теоретической математической структурой, известной как суперсимметрия, или SUSY для краткости. Эти частицы были бы массивными по субатомным стандартам, но слабо взаимодействовали бы с другим веществом, и поэтому известны как Слабо взаимодействующие массивные частицы, отсюда и WIMP.
Из множества возможных видов вимпов один (предположительно самый легкий) должен обладать свойствами, необходимыми для объяснения влияния темной материи на движение звезд и галактик ( SN: 27/12/12 ). Еще в прошлом веке начались поиски вимпов с целью продемонстрировать их существование и определить, какие виды составляют темную материю.
В 1998 году одна исследовательская группа объявила об очевидном успехе. Эксперимент под названием DAMA (для темной материи, получить его?), Состоящий из детектора частиц погребенного под итальянских Альпах, казалось бы , действительно обнаружить частицы со свойствами , соответствующими ожиданиям некоторых физиков для сигнала темной материи.
Это был сложный эксперимент, основанный на предположении, что в космосе полно вимпов. Детектор, содержащий куски йодида натрия, должен испускать вспышку света при попадании вимп. Но другие частицы из природных радиоактивных веществ также будут вызывать вспышки света, даже если WIMP - это миф.
Таким образом, экспериментаторы приняли умное предложение, предложенное ранее физиками Кэтрин Фриз, Дэвидом Спергелем и Анджеем Друкиером, официально известное как ежегодный тест на модуляцию. Но назовем это подходом июнь-декабрь.
Когда Земля вращается вокруг Солнца, Солнце также движется вокруг галактики Млечный Путь, которое несет спиральный рукав в направлении созвездия Лебедя. Если галактика действительно полна вимпов, солнце должно постоянно пробиваться сквозь них, порождая «ветер вимпов». (Это похоже на ветер, который вы чувствуете, если высовываете голову из окна движущейся машины.) В июне орбита Земли перемещает ее в том же направлении, что и движение Солнца по галактике - против ветра. Но в декабре Земля движется в противоположном направлении, подальше от ветра. Таким образом, в июне на Землю должно ударить больше WIMP, чем в декабре. Это похоже на то, как при движении вперед лобовое стекло вашего автомобиля разбивается о больше капель дождя, чем при движении задним ходом.
диаграмма ветра WIMP во время вращения Земли
Когда Солнце движется в космосе, оно должно столкнуться с частицами темной материи, называемыми вимпами, если они существуют. Когда вращение Земли переносит ее в том же направлении, что и солнце, летом результирующий «ветер вимпов» должен казаться более сильным, и в июне будет обнаружено больше столкновений вимпов, чем в декабре.
На астрофизической конференции в Париже в декабре 1998 года Пьерлуиджи Белли из команды DAMA сообщил четкий сигнал (или, по крайней мере, сильный намек), что в июне прибыло больше частиц, чем в декабре. (Точнее, результаты показали ежегодную модуляцию частоты световых вспышек, достигающую пика примерно в июне с минимумом в декабре.) Данные DAMA показали, что WIMP весит 59 миллиардов электрон-вольт, что примерно в 60 раз превышает массу протона.
Но у некоторых экспертов возникли опасения по поводу анализа данных, проведенного командой DAMA. И другие поиски WIMP с различными детекторами и стратегиями должны были найти WIMP, если DAMA был прав - но этого не произошло. Тем не менее, DAMA упорствовал. Расширенная версия эксперимента, DAMA / LIBRA, продолжала обнаруживать несоответствие между июнем и декабрем.
Возможно, DAMA был более чувствителен к WIMP, чем другие эксперименты. В конце концов, другие поиски не дублировали методы DAMA. Некоторые использовали в качестве детектирующего материала вещества, отличные от йодида натрия, или наблюдали за небольшим повышением температуры как признаком столкновения вимпов, а не за вспышками света.
В этом отношении вимпы могут быть не такими, как первоначально думали теоретики. DAMA первоначально сообщило о 60 вимпах протонной массы, основываясь на предположении, что они столкнулись с атомами йода. Но более поздние данные показали, что, возможно, WIMP ударяли по атомам натрия, что подразумевает гораздо меньшую массу WIMP - легче, чем в других экспериментах, которые были оптимально разработаны для обнаружения. Еще одна возможность: возможно, следовые количества металлического элемента таллия (гораздо более тяжелые атомы, чем йод или натрий) были мишенями для WIMP. Но недавний обзор этого предложения снова показал, что результаты DAMA нельзя согласовать с отсутствием сигнала в других экспериментах.
И теперь надежда DAMA на оправдание была еще больше разбита новым подпольным экспериментом, на этот раз в Испании. Ученые из коллаборации ANAIS повторили июнь-декабрьский метод с йодидом натрия, пытаясь воспроизвести результаты DAMA с помощью того же метода и материалов. После трех лет работы команда ANAIS не сообщает о признаках WIMP.
Честно говоря, вывод об отсутствии WIMP основан на серьезном и сложном техническом анализе. Дело не только в подсчете световых вспышек. Вам необходимо собрать точные данные о поведении девяти различных модулей йодида натрия. Вы должны внести поправку на присутствие редких радиоактивных изотопов, генерируемых столкновениями космических лучей, когда модули еще строились. Кроме того, статистический анализ, необходимый для определения разницы между сигналами зимой и летом, не является тем, что вы должны пробовать дома (если вы не разбираетесь в таких вещах, как периодограмма наименьших квадратов или метод Ломба-Скаргла). Кроме того, ANAIS все еще работает и планирует собрать данные еще за два года, прежде чем выпустить окончательный анализ. Таким образом, решение по WIMP DAMA не обязательно окончательное.
Тем не менее, это не очень хорошо для WIMP, по крайней мере, для WIMP, мотивированных верой в суперсимметрию.
К сожалению для поклонников SUSY, поиск WIMP из космоса - не единственная плохая новость. Попытки создать WIMP в ускорителях частиц также пока не увенчались успехом. Может оказаться, что темная материя состоит из каких-то других субатомных частиц.
Если так, то это был бы поворот сюжета, достойный Агаты Кристи, вроде Пуаро, оказавшегося убийцей. Потому что симметрия долгое время была самым надежным другом физиков, привела к огромным успехам, от теории относительности Эйнштейна до стандартной модели частиц и сил.
Тем не менее, неспособность найти SUSY-частицы до сих пор не обязательно означает, что их не существует. Возможно, суперсимметрия не так проста, как казалось на первый взгляд. А SUSY-частицы может оказаться труднее обнаружить, чем первоначально предполагали ученые. Но если суперсимметрия все же окажется не такой уж суперской, ученым, возможно, придется задуматься о том, как вера в симметрию может сбить их с пути.