Сотни миллионов лет назад минералы под земной поверхностью могли сохранять в себе следы загадочного вещества. Осталось только до них добраться.

​Больше двух десятков подземных лабораторий, разбросанных по всему миру, заняты поиском темной материи. С годами эксперименты по обнаружению таинственного вещества, из которого, как считается, Вселенная состоит на 84%, становятся все сложнее, но зато критерии поиска постепенно сужаются, пишет Quanta Magazine.

Из видимой материи состоят звезды, галактики, люди, собаки и все остальное, а увидеть темную материю не удается. Все, что мы знаем о ней - это то, что она не испускает электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействует с ним. Это свойство, скорее всего, и затрудняет прямое наблюдение темной материи. Тем не менее физики уверены, что она оказывает колоссальное влияние на галактики.

Докопаться
В течение ⁠нескольких десятилетий ⁠предпочтительными кандидатами ⁠на основу, из которой ⁠состоит ⁠темная материя, были вимпы (WIMP) - гипотетические слабо-взаимодействующие массивные частицы. Большинство экспериментов, пытающихся засечь вимпы, пытаются определить присутствие частиц по их влиянию на обычную материю. Условно говоря, вимпы должны взаимодействовать с ядрами атомов, применяя к ним слабую силу. Это воздействие заставляет ядро атома отскочить и испустить звуковую волну или световую вспышку. Сложность в том, что обнаружение вимпов требует высокочувствительных инструментов, которые, находясь на поверхности, страдают от космических лучей - они вносят помехи в данные.

Именно поэтому команда физиков из Польши, Швеции и США предполагает, что в поисках темной материи и ее спутников мы должны отправиться вглубь Земли. В земной коре отложилось прошлое всей Солнечной системы. По всей видимости, в окаменелостях можно найти следы реакции атомных ядер на вимпы.

Как рассказывает физик из Мичиганского университета Кэтрин Фриз, подземный палеодетектор будет работать аналогично установкам прямого обнаружения, расположенным на поверхности. Разница лишь в том, что для работы вторых всегда требуется большой объем жидкости или металла - нужны атомы, чтобы следить за реакцией ядер на возможное появление вимпов. Под поверхностью можно просто искать окаменелые следы вимпов, врезавшихся в атомные ядра различных минералов. Если ядро атома отскочило от частиц темной материи с достаточной энергией и если эти возмущенные атомы находятся глубоко под землей (то есть в сохранности), то у ученых появляется шанс воссоздать трек, по которому двигались вимпы. Дальше исследователи могут откопать камни, отслаивать нужные сегменты (чтобы добраться до конкретного периода в истории планеты) и по ним исследовать давние события в Солнечной системе.

Анализ земной коры
Кэтрин Фриз работает вместе с Анджеем Друкером, физиком из Стокгольмского университета, который изучает способы обнаружения темной материи.

В 2015 году Друкер отправился в Новосибирск, чтобы поработать над прототипом биологического детектора, который будет размещен под земной поверхностью. По всей видимости, в город его привели новости о другой команде ученых, заинтересованных в поиске темной материи. Сотрудники Института ядерной физики СО РАН начали разработку собственного криогенного детектора вимпов на основе сжиженных газов и ксенона. К 2018 году ученые нашли способ увеличить точность работы устройства, первые результаты эксперимента должны появиться к 2023-2025 годам.

В России Друкер узнал о скважинах, пробуренных еще во времена холодной войны. Глубина некоторых из них достигала 12 километров, что идеально для экспериментов по поиску темной материи. Минералы в земной коре, хотя и относительно малы и менее чувствительны к взаимодействию вимпов, тоже ведут своеобразный поиск. "Фрагментам минералов, извлеченным из очень глубоких пород Земли, может быть не меньше миллиарда лет", - рассказывает Друкер. Ученый объясняет, что чем глубже вы копаете, тем старше породы находите. По сути, сама планета все эти миллионы лет была детектором, который записал свои данные в камне.

Впрочем, Земля тоже полна неожиданных сюрпризов, вносящих беспорядок в работу ученых. Простейший пример - недра планеты богаты радиоактивным ураном, который постоянно производит нейтроны по мере своего распада. Проблема в том, что эти нейтроны тоже могут выбивать ядра атомов минералов, как это делают вимпы. По словам Фриз, первоначальный проект детектора не учитывал распад ядер урана, что сводило эффективность и объективность устройства на нет. Команда ученых потратила два месяца на то, чтобы изучить тысячи минералов и найти те, которые гарантированно изолированы от последствий распада урана. Это исследование помогло выбрать морские эвапориты (кристаллические породы, образованные по мере того, как морская вода благодаря испарению становилась все более и более соленой) в качестве основной цели для палеодетекторов. Кроме того, ученые продолжают поиск минералов с высоким содержанием водорода, потому что этот элемент эффективно блокирует нейтроны, возникающие при распаде урана.

Риски
Участие в работах по добыче минералов будет нелегким. Для анализа данных понадобится самая современная нановизуализация, которая выявит доказательства вмешательства вимпов в движение ядер. По словам Трейси Слатьер, физика-теоретика из Массачусетского технологического института, палеодетекторам будет по-настоящему непросто определить, что след в минерале остался именно от темной материи, а не от нейтронов урана, нейтрино от Солнца или чего-то еще.

"Это неконтролируемая система. Это не лаборатория. Никто не знает точную историю месторождений в земной коре. Перепроверка всех полученных данных займет слишком много времени", - критикует подход коллег Слатьер.

Друкер и Фриз уверены, что сила палеодетекторов будет заключаться в чистых цифрах. Порода в глубинах Земли содержит множество минералов, каждый с собственными атомными ядрами, которые по-разному отскакивают от вмешательства вимпов - разные минералы будут работать как индивидуальные детекторы. Анализ всех полученных данных позволит сделать вывод о спектре отдачи ядер, столкнувшихся с темной материей. Этот спектр даст шанс оценить массу вимпов. В будущем палеодетекторы могут предоставить запись перемещений вимпов на протяжении истории Земли - точно так же, как окаменелости помогают палеонтологам реконструировать историю жизни на планете.

По мнению Слатьера, такой отчет также даст сведения о гало (светящееся кольцо вокруг источника света) Млечного Пути, состоящем из темной материи. Это гало - облако из невидимого вещества, через которое проплывает Солнечная система, пока она описывает орбиту вокруг центра нашей Галактики. Весь процесс занимает около 250 млн лет.

"Найдем ли мы темную материю? Лично я ищу ее уже 35 лет. Теперь я иду на самый сложный эксперимент в истории человечества, который может обернуться неудачей. Но это круто", - уверен Друкер.

Никита Соколов

Похожие новости

  • 29/12/2017

    Области человеческих деятельности, в которых Россия входит в пятёрку лучших

    ​1. Сельское хозяйство. В 2010-е гг. Россия вернула себе позицию крупнейшего сельхозэкспортёра в мире, которую она занимала ещё в начале XX века. При этом Россия занимает лишь четвёртое место в мире по площади обрабатываемых сельхозземель.
    1084
  • 20/05/2016

    О демонстрационной площадке и роли Академгородка в продвижении инноваций

    ​Тема демонстрационной площадки активно обсуждалась год назад в одном из департаментов мэрии Новосибирска. Суть предложений заключалась в следующем: показывать инновационные разработки институтов СО РАН, пригодные для коммерциализации и использования в городском хозяйстве.
    1537
  • 27/03/2017

    Новосибирские ученые создали материал, обеспечивающий 30 лет непрерывной работы химического реактора

    Ученые из Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) создали новую технологию сплавления титана и тантала, в результате чего получили особо стойкий к коррозии и агрессивным средам материал.
    1942
  • 17/09/2018

    Большой адронный коллайдер и фундаментальные вопросы науки

    Россия пока не получила ни одного заказа при модернизации Большого адронного коллайдера, хотя раньше без нее ЦЕРН обойтись в принципе не мог. Ровно десять лет назад в Европейской лаборатории ядерных исследований (ЦЕРН) был запущен Большой адронный коллайдер.
    861
  • 25/05/2018

    Фокусирующий аэрогель поможет распознать частицы в экспериментах на будущем новосибирском коллайдере

    ​Ученые Института ядерной физики им Г.И. Будкера СО РАН разработали проект системы идентификации частиц для экспериментов на будущем новосибирском коллайдере - Супер С-Тау фабрике. Это одна из ключевых систем планируемой установки, она позволит с высокой надежностью определять типы рождающихся в эксперименте частиц.
    634
  • 16/10/2017

    Пассажиров аэропорта Дели проверяет техника, разработанная учеными ИЯФ СО РАН

    Система рентгенографических сканеров Express Inspection, совместной разработкой которых занимался Новосибирский Институт ядерной физики им Г. И. Будкера СО РАН и Орловский завод «Научприбор», проходит апробацию в Индии.
    856
  • 30/08/2018

    Новосибирские ученые знают, как разбить древность на атомы

    Озера, древние книги, иконы, кости мамонтовой фауны или доисторического человека, деревянные колоды из погребений и даже болотный торф - все эти объекты можно точно датировать, определить время их создания, появления на свет или, если речь идет о живом существе, период обитания на Земле.
    528
  • 11/12/2018

    Как ученым достучаться до власти?

    ​Академик РАН, научный руководитель Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН Сергей Алексеенко стал в этом году лауреатом международной премии «Глобальная энергия». Награда присуждается ему за подготовку теплофизических основ для создания современных энергетических и энергосберегающих технологий, которые позволяют проектировать экологически безопасные тепловые электростанции (за счет моделирования процессов горения газа, угля и жидкого топлива).
    1015
  • 22/01/2019

    Зачем в Европе хотят построить новый коллайдер?

    ​Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) работает над концепцией нового коллайдера, который будет больше и мощнее ставшего знаменитым БАК. Разбираемся, для чего он нужен. В поисках Новой физикиКогда на Большом адронном коллайдере (БАК) был открыт бозон Хиггса, физики сразу заговорили, что теперь им необходима установка для более тщательного его изучения.
    878
  • 28/02/2019

    В ЦЕРН обнаружили новую частицу, которая уточнит кварковую модель

    ​Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила об открытии нового состояния c-кварка и анти c-кварка – частицы ψ3(1D).
    464