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

  • 23/09/2019

    Игра российских «-тронов»: построят ли «СКИФ»

    ​Судьба СКИФ под угрозой со стороны проекта Курчатовского института, считают академики Сибирского отделения РАН. На прошлой неделе общее его собрание выразило свою озабоченность в специальной резолюции.
    642
  • 12/09/2019

    Ученые объявили о возможном срыве сроков строительства СКИФ

    ​Строительство синхротрона в Новосибирске может затянуться, об этом заявили ученые, работающие над проектом. По их словам, Курчатовский институт предлагает увеличить энергию СКИФ, однако на строительство такого источника потребуется восемь-десять лет.
    689
  • 24/01/2020

    Правительство похвасталось строительством сибирского синхротрона: почему ученые негодуют

    ​Флагманскому проекту нацпроекта «Наука» - Сибирскому синхротрону «СКИФ» может грозить серьезный срыв сроков выполнения, если правительство не выделит на него деньги до марта этого года. Тревогу по поводу флагманского, самого, пожалуй, важного научного проекта страны, строительство которого планируется до 2023 года, выразил во вторник на заседании Президиума РАН директор головного Института ядерной физики Сибирского отделения РАН Павел ЛОГАЧЕВ.
    638
  • 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.
    1629
  • 25/06/2019

    Что даст Новосибирску СКИФ?

    ​Новосибирск входит в эпоху крупных инфраструктурных проектов. В ближайщей пятилетке развития — строительство ЛДС к молодёжному чемпионату и проект Академгородок 2.0. Индекс «2.
    752
  • 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.
    2904
  • 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.
    2047
  • 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.
    1319
  • 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.
    1397
  • 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).
    1262