Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Среди других интересных особенностей установки CDMS—точное определение координат и времени события. Непосредственно его координаты определяются только в двух направлениях, но момент прохождения фононов дает положение и по третьей координате. Так что экспериментаторы могут точно определить, где произошло событие, и исключить фоновые события на поверхности. Еще одна особенность — то, что установка сегментирована на отдельные стопки детекторов размером с хоккейную шайбу. Истинное событие произойдет лишь в одном из этих детекторов, излучение же от местного источника может затронуть несколько детекторов сразу. Все это дает CDMS и следующей, еще лучше проработанной установке, неплохие шансы обнаружить темную материю.

Тем не менее, как бы впечатляюще ни выглядел эксперимент CDMS, он вовсе не является единственным детектором темной материи, да и криогенные устройства — не единственный тип таких детекторов. Через несколько дней после лекции Гарри о своих экспериментах ΧΕΝΟΝ10 и ΧΕΝΟΝ100, а также о других экспериментах с благородными жидкостями рассказала и Елена Априль, одна из пионеров работы с ксеноном. Поскольку вскоре эти установки должны стать самыми чувствительными детекторами темной материи, аудитория слушала очень внимательно.

В ксеноновых установках события, связанные с темным веществом, регистрируются за счет сцинтилляций. Жидкий ксенон представляет собой плотную гомогенную жидкость, обладает высокой атомной массой (что повышает вероятность взаимодействия с темным веществом), хорошо вспыхивает, легко ионизуется при получении энергии, так что описанные выше два типа сигналов можно эффективно отличать от электромагнитных событий, и к тому же относительно дешев по сравнению с другими пригодными для этой цели материалами (хотя за десять лет его цена увеличилась вшестеро). Эксперименты подобного типа с благородными газами стали намного масштабнее и эффективнее, к тому же их возможности далеко не исчерпаны. Когда вещества больше, вероятность желаемого события выше; кроме того, при помощи внешней части детектора можно более эффективно экранировать его внутреннюю часть, что помогает обеспечить значимость результата.

Измерив ионизацию и мощность первоначальной вспышки, экспериментаторы получают возможность отсечь фоновое излучение. В эксперименте ΧΕΝΟΝ100 для измерения осцилляций используются особые фототрубки, созданные для работы в низкотемпературной среде детектора под высоким давлением. Аргоновые детекторы в будущем могли бы обеспечить еще более точную информацию о сцинтилляциях, поскольку в них устанавливается точная форма вспышки как функция времени, и это также поможет в дальнейшем отделить зерна от плевел.

Сегодня дело обстоит довольно странным образом (хотя положение может измениться в самом ближайшем будущем): дело в том, что один из сцинтилляционных экспериментов — DAMA в лаборатории Gran Sasso в Италии — зарегистрировал сигнал.

В приборе DAMA, в отличие от описанных только что экспериментов, не предусмотрено внутреннего различения сигнала и фона. Считается, что сигнал от событий с участием темной материи можно распознать исключительно по его временной форме, если применить для этого характерную зависимость, связанную с движением Земли по околосолнечной орбите.

Скорость прилетающих извне частиц темной материи имеет значение, потому что именно от нее зависит, сколько энергии выделится в детекторе. Если энергия слишком мала, эксперимент окажется не очень чувствительным и может просто не заметить появления частицы. Если энергия выше, вероятность того, что установка зарегистрирует событие, также повышается. Из- за движения Земли по орбите скорость темной материи по отношению к нам (а следовательно, и энергия, переданная детектору) зависит от времени года, и в некоторые сезоны (летом) сигнал увидеть проще, чем в другие (зимой). Эксперимент DAMA ищет регулярные сезонные колебания в частоте событий, которые согласуются с прогнозами, и его данные говорят о том, что такой сигнал обнаружен (на рис. 79 показаны данные DAMA).

РИС. 79. Данные эксперимента DAMA показывают модуляцию сигнала во времени

Никто пока не может сказать наверняка, является ли сигнал DAMA признаком темной материи или объясняется каким‑то непониманием работы детектора или недооценкой внешних влияний. Ученые настроены скептически, потому что ни один из остальных экспериментов пока ничего не обнаружил. Отсутствие подтверждений плохо согласуется с прогнозами большинства моделей скрытой массы.

Пока ничего не понятно, но именно такого рода вещи делают науку интересной. Результат заставляет задуматься о том, что скрытую массу могут составлять несколько различных типов вещества; кроме того, темная материя может обладать какими‑то свойствами, которые облегчают ее обнаружение именно в эксперименте DAMA [61] Аномальные события были зарегистрированы экспериментами COGENT, CRESST и усовершенствованным CDMSII. К сожалению, в рамках наиболее мотивированных и разработанных моделей темной материи эти аномалии противоречат результатам других экспериментов— и друг другу, в частности. —Прим. науч. консульт. . Такие результаты заставляют нас лучше изучать собственные установки и разбираться во всех их особенностях, только тогда мы сможем отфильтровать случайные сигналы и сказать, что данные эксперимента означают именно то, что утверждают экспериментаторы.

Ученые по всему миру работают над повышением чувствительности своих установок, чтобы можно было либо исключить, либо подтвердить открытие темной материи детектором БАМА. А может быть, им удастся независимо открыть другой тип темной материи. Все согласились бы с тем, что темная материя наконец открыта, если бы хотя бы один эксперимент подтвердил данные DAMA, но пока ничего подобного не произошло. Тем не менее есть шанс, что ответы на эти вопросы будут получены в самом ближайшем будущем. Даже если к моменту, когда вы будете читать эту книгу, изложенные выше результаты уже устареют, характер и методики экспериментов по–прежнему будут актуальны.

Эксперименты на БАКе и наземных криогенных детекторах или на ксеноне и аргоне — два способа определить природу темной материи. Третий и последний способ — определить ее путем непрямых наблюдений темной материи в небе и на земле.

Темная материя во Вселенной очень разрежена, но иногда она все же аннигилирует сама по себе или с участием соответствующей античастицы. Это происходит недостаточно часто, чтобы заметно изменить среднюю плотность темной материи, но даже этих нечастых событий может оказаться достаточно, чтобы породить измеримый сигнал. Дело в том, что при аннигиляции частиц темной материи рождаются новые частицы, которые уносят прочь их энергию. В некоторых случаях, в зависимости от природы темной материи, при ее аннигиляции могут родиться обнаружимые частицы и античастицы Стандартной модели, такие как электроны и позитроны или пары фотонов. Тогда астрофизические детекторы, способные регистрировать античастицы или фотоны, возможно, «увидят» и признаки этих аннигиляций.