Как ищут тёмную материю? [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой. Likes — это золотодобывающее предприятие в паре часов от Мельбурна, где сейчас на глубине километра устанавливается оборудование для поиска темной материи. Заглянем до километровой глубины, приходится ехать полчаса. Считается, что 85% всего вещества в мире — это темная материя. Из нее можно было бы сделать тёмную вселенную в пять раз массивнее, чем все, что мы видим.
За прошедшие десятилетия, в попытках напрямую зафиксировать темную материю, провели более 50 экспериментов, и все они окончились неудачей, кроме одного. В недрах итальянских Альп работает детектор дома Libra. Он собирает данные уже около 20 лет и каждый год получает одни и те же занятные результаты. Частота регистрации идет волнообразно: максимум приходится на июнь, а минимум на ноябрь. Некоторые учёные считают, что это возможно и есть первое прямое свидетельство существования темной материи. Но чего бы темной материи демонстрировать такую цикличность?
Это наша галактика. Точнее, так оно выглядит в видимом свете. Астрономы полагают, что она одновременно окутывает и пронизывает огромная сфера темной материи. Невидимые частицы, которые летают в разных направлениях. Согласно большинству теорий, частицы тёмной материи взаимодействуют друг с другом и привычной нам материи исключительно за счет гравитации. Считается, что темной материи в 5 раз больше, чем обычно, и солнечная система движется по галактике со скоростью 220 километров в секунду.
По идее, точно также мы движемся и сквозь темную материю. Вот только Земля еще обращается вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. Выходит, что полгода, пока мы летим в одном направлении, Земля продвигается через тёмную материю чуть быстрее, а авторы полгода — чуть медленнее, ведь планета летит против движения всей системы. Логично, что чем быстрее Земля движется сквозь темную материю, тем больше будет столкновение с частицами, и максимум скорости приходится как раз на июнь, а минимум — на ноябрь.
С точки зрения геометрии всё несколько сложнее. Солнечная система расположена под углом 60 градусов к плоскости галактики, но суть дела это не меняет. Возможно, наше движение сквозь темную материю и объясняет колебания сигнала на детекторе. А может, темная материя тут вообще ни при чем, и все гораздо проще. На сигнал влияет температура, влажность, количество влаги в почве, снега в горах или, например, число туристов, которые приезжают в Италию. Всё это проходит похожие циклы в течение года.
Поэтому практически такой же детектор решили разместить на километровой глубине в южном полушарии, близ Мельбурна. Сезонные изменения здесь происходят наоборот, но на движение Земли сквозь темную материю это не влияет. Если детектор покажет такой же сигнал, это будет весомым аргументом в пользу существования темной материи.
С результатами дома Libra есть проблемка: в очень похожих экспериментах ничего подобного не наблюдают, поэтому и возникли сомнения, правда ли сигналы, которые фиксирует детектор, это темная материя. На деле мы пока не знаем. В науке всё как всегда.
С чего мы вообще решили, что темная материя существует? В 1933 году швейцарский астроном Фриц Цвикки изучал систему примерно из тысяч галактик, скопления волос Вероники. В нём галактики связаны гравитацией, обращаются вокруг общего центра масс. Цвикки измерил их орбитальную скорость и выяснил, что некоторые движутся заметно быстрее, чем он ожидал. Казалось, что большую часть материи в скоплениях он не видит, и эта материя притягивает всё к одному центру.
Цвикки предположил существование некой невидимой дунки материи, откуда и произошел термин "темная материя". Поначалу это предположение всерьез не рассматривали, но через 40 лет к нему пришлось обратиться снова. Вера Рубины и Кент Форд, изучавшие движение звёзд в галактике Андромеды, ожидали, что чем дальше от центра, тем медленнее они будут двигаться, но ожидания не оправдались.
Угловая скорость звёзд почти не менялась, как бы далеко от центра галактики они не находились. Если бы не было какой-то дополнительной массы, которая удерживает эти звезды, они бы просто улетели в открытый космос. В других галактиках наблюдалось то же самое.
С помощью радиотелескопов Альберт Басма и другие астрономы наблюдали за движением водорода еще дальше от центра галактики, и его угловая скорость по-прежнему никак не менялась. Эту странность можно было объяснить существованием чего-то невидимого — той самой темной материи, которая удерживает вещество в галактике.
Представьте, вот у вас звезда, а вот этот грузик — масса всего, что находится в центре галактики и притягивает к нему вашу звезду. Она будет двигаться по устойчивой орбите, если центростремительная сила оказывается равной силе притяжения, создаваемой массой всего остального в галактике. Смотрите: чтобы оставаться на расстоянии примерно метра, нужна вот такая скорость вращения.
А что произойдет, если добавить темную материю? Всё то, что мы не видим. Представим, вот эта бутылка с водой, и теперь масса, которая тянет звезду в центр, будет больше, а значит, на таком же расстоянии она может двигаться намного быстрее, чтобы оставаться на той же орбите. Не только может, но и должна. Этим и объясняются наблюдения. Вот это мы и видим — замеры скоростей обращения звёзд подсказали учёным, что темная материя составляет около 85% массы галактики.
Однако то, что в ней происходит, можно объяснить и по-другому. Правда, для этого придется подправить теорию гравитации. Какие есть аргументы в пользу того, что идея существования каких-то странных частиц неверная? Нам стоит доработать теорию гравитации. Можно либо говорить о чем-то, чего мы не видим, либо остановиться на том, что мы видим — всё, что есть во вселенной, и нам просто нужно новое объяснение.
Единственный способ его найти — доработать законы физики. Если рассматривать края галактик, там наблюдается заметное центростремительное ускорение. Если есть темная материя, то ускорение объясняется её притяжением. Сторонники модифицированной ньютоновской динамики сказали бы, что она просто достигла своего минимума и меньше быть не может. То есть дело не в какой-то там силе притяжения темной материи, а в том, что у центростремительного ускорения есть нижний предел.
Правда, мне кажется, гораздо больше сторонников версии про темную материю, хотя бы потому, что существование каких-то частиц, которые мы пока не видели, кажется вполне возможным. Это не единственная причина. Вот скопление галактик "пули" — место столкновения двух других скоплений. Большую часть обычной массы в них составляет межзвездный газ. При столкновении частицы газа врезаются друг в друга, нагреваются и замедляются, так что логично предположить, что основная масса нового скопления будет где-то по центру, там, где больше всего газа.
Но гравитационное линзирование, то, как гравитационное поле искривляет свет, показывает, что на самом деле основная масса сосредоточилась не в центре. Больше всего её оказалось по краям. Лучше объяснение в том, что во время столкновения кластеров газ действительно оказался в середине, а вот темная материя прошла дальше, из-за чего эффект гравитационного линзирования сильнее всего там, где меньше всего обычной материи. Это подтверждает существование темной материи.
Самый древний свет во вселенной через 380000 лет после большого взрыва. Свет наконец смог распространяться беспрепятственно во всех направлениях. Мы это фиксируем как фоновое микроволновое или реликтовое излучение. Красными пятнами обозначены более горячие места молодой вселенной, синими — более прохладные, но разница там совсем небольшая — около 100 долей процента. И всё же она есть. По этому изображению можно составить график, отражающий количество пятен разных размеров. Первый пик соответствует пятнам с размером, который встречается чаще всего.
Другие пики поменьше показывают количество более мелких пятен, которые встречаются чуть реже. Высота этих пиков зависит от того, сколько во вселенной темной материи. Если смоделировать вселенную без неё, то график будет выглядеть вот так. Чем больше темной материи мы добавляем, тем ниже пики под четными номерами. Чтобы график был таким же, как тот, что получается на основе реликтового излучения, темной материи должно быть в 5 раз больше, чем обычно. Такое же соотношение нужно, чтобы звезды в галактиках и галактики в скоплениях двигались именно так, как они двигаются сейчас.
Выходит, гипотеза о тёмной материи позволяет объяснить множество наблюдений лишь одним достаточно простым предположением: а некоторые частицы способны взаимодействовать только за счет гравитации. Но всё-таки что это за частица? Ответа пока нет, но учёные предположили множество возможных вариантов. Теперь настало время попытаться её найти. Как именно — зависит от того, что мы ищем.
Дома Libra и детектор «Воздай золотой шахты» должны улавливать WIMPs — слабо взаимодействующие массивные частицы. Ожидается, что по массе они окажутся примерно равной протону, но будут очень слабо взаимодействовать с обычной материей. Сердце детектора — 7,7 килограммовых кристаллов чистого иодида натрия. Это как раз есть. Едет на 3, да, он неожиданно прозрачный. Предположительно, пусть и очень-очень редко, частицы тёмной материи будут сталкиваться с ядрами в кристаллах и передавать энергию, что приведёт к вспышке света, которую называет сцинтилляцией.
Этот свет уловят фотоэлектронные умножители, высокочувствительные сенсоры, расположенные над и под каждым кристаллом. Сложность в том, что даже в самом чистом кристалле иодида натрия содержится радиоактивная примесь — калий. При распаде атомы калия испускают электрон и гамма-лучи. Этот электрон может вызвать такую же вспышку, по которой учёные пытаются обнаружить темную материю. Чтобы это исключить, кристаллы иодида натрия помещают в емкость с 12 тоннами линейного алкилбензола — это жидкий сцинтиллятор, который реагирует на попадание в него гамма-лучей.
Вспышки в нём также регистрируют фотоумножители. Если сцинтилляционные вспышки в кристалле и в емкости совпадут, это скорее всего распад атома калия. Иначе — частицы тёмной материи. Есть и другая проблема: космические лучи, заряженные частицы от Солнца и других галактик, достигают верхних слоев атмосферы Земли, а чего появляется мион — по сути тяжелый электрон, который почти со скоростью света устремляется к поверхности планеты. Мион может также вызывать вспышки света в кристалл.
Вот мюонный детектор: здесь три пластиковых сцинтиллятора, а между ними пластины из стали. Если во всех трех примерно одновременно произойдет вспышка, это значит, что через них пролетел мион. Обнулим счетчик. Вот пошли мюоны, и как видите, несколько в секунду. По этой причине все чувствительные детекторы частиц размещаются под землей. И вот сюда, на километровую глубину, мы принесли тот же детектор. Мы запустили его минут 15 назад, и ни одного миена. Да, даже одной единственной частицы придется ждать очень долго. Мы предполагаем, что досюда долетает в миллион раз меньше, чем наверху.
Миллионами мы не дождались, так что вряд ли здесь что-то выйдет. Вот почему детектор темных частиц устанавливается глубоко под землей: чтобы исключить любые потенциальные помехи и шум. Но даже такой изоляции может оказаться недостаточно. Мы установим еще и на саму емкость. Если они сработают вместе со вспышкой в кристалле, будет понятно, что это поймано днём. Однако глубина шахты создает проблемы: стены содержат небольшие количества урана и тория, при распаде которых образуется радиоактивный газ радон. Требования к проведению такого эксперимента довольно жесткие. Нам нужно четко следить за условиями, в частности, за уровнем радона.
Для безопасности стены покрывают особой краской, которая не пропускает радиоактивные частицы в кристалл, и постоянно находятся в потоке чистого азота, а сам резервуар обёрнут 120 тоннами стали и пластика. Вы только взгляните, какая большая пещера. От полученных здесь данных зависит многое: они либо подтвердят, либо опровергнут результаты одного из самых неоднозначных экспериментов. Если ничего не увидим, детектора дома Libra — можно сворачивать.
Поехали найдем! Мне еще нравится идея, что 1 большая часть вселенной состоит из темной материи. То это может быть не какая-то одна частица, а разные, возможно, даже хватит на свою "темную стандартную модель": темные версии всех частиц и даже какие-то новые. Ведь темной материи больше. Надеюсь, это так. Как думаете, темная материя может взаимодействовать с обычной? Если уж мы намерены выяснить, что оно такое, лучше, чтобы какое-то взаимодействие все-таки было. Тогда получится что-то проверить экспериментально.
Если бы бог вручил мне вселенскую книгу физики, а в ней два раздела — а и б: 1 — про обычную светящуюся материю, а второй — про тёмную, и эти материи никак не пересекаются, я бы сказал, что это очень странная вселенная. При этом в науке приходится мириться с тем, что возможно, мы никогда не найдём ответа. Но если и так, мы хотя бы пытались.
Переведено и озвучено студией Art Дай Дар.