Поиск тёмной материи: новые горизонты и вызовы

Глубоко под горными массивами и в шахтах по всему миру гигантские детекторы, заполненные жидким ксеноном, неустанно ищут тёмную материю — неуловимое вещество, которое сыграло ключевую роль в формировании нашей Вселенной. Учёные надеялись напрямую обнаружить слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) — основного кандидата на роль тёмной материи — по редким столкновениям с атомами ксенона, которые должны были производить вспышки света и электрический заряд. Однако после многих лет работы эти детекторы начали фиксировать в основном слабые, прерывистые сигналы от нейтрино — вездесущих субатомных частиц, производимых звёздами, — а не ожидаемые взаимодействия тёмной материи.

Неспособность физиков найти тёмную материю там, где они ожидали, привела к появлению множества инновационных предложений по новым методам поиска: квантовые сенсоры, детекторы на основе жидкого гелия, поиски в атмосфере Юпитера и многое другое.

Физики десятилетиями знали о существовании этого нейтринного фона, но надеялись сначала обнаружить WIMP-тёмную материю. Теперь шансы на это уменьшаются. Современные WIMP-детекторы стали настолько крупными и чувствительными, что они входят в так называемый «нейтринный туман», где эти обычные частицы могут заглушить любой сигнал от основной цели. Эти детекторы невозможно экранировать от нейтрино, которые с лёгкостью проникают сквозь саму Землю. Это означает, что следующий эксперимент, использующий такой традиционный подход к поиску WIMP-тёмной материи, может стать последним.

Однако столкновение с «нейтринным туманом» не означает прекращения поиска тёмной материи; оно лишь требует перефокусировки усилий. Как отмечает физик-теоретик Кэтрин Зурек, ни WIMP-тёмная материя, ни новые частицы не были обнаружены на Большом адронном коллайдере (БАК), что естественным образом приводит к расширению сферы поиска. Это знаменует собой значительное изменение: охота превращается из узконаправленного исследования в своего рода открытое состязание. Сегодня физики-элементарщики менее уверены в природе тёмной материи, чем в начале её поисков, признавая, что не могут делать предположения о её базовых характеристиках — например, тяжелее ли она Земли или легче радиоволны, состоит ли из одного типа частиц или из дюжины.

Такая обширная неопределённость, по словам экспериментатора Хью Липпинкотта, делает шансы любого небольшого эксперимента на успех крайне малыми.

Тем не менее, неспособность физиков найти тёмную материю там, где они ожидали, породила множество новых предложений по поиску: квантовые сенсоры, детекторы на основе жидкого гелия, исследования в атмосфере Юпитера и многое другое. Физик Грей Рыбка, соруководитель эксперимента по поиску аксионов, отмечает большой энтузиазм и появление необходимых технологий. Однако при таком множестве направлений остаётся критический вопрос: с чего физикам начать снова?

Астрономические пробелы в знаниях

Для начала: рождение Вселенной. Тёмная материя присутствует с самого начала, и многое можно узнать из тех ранних эпох. Карты космического микроволнового фона (КМФ) — первого света ранних лет Вселенной — полны флуктуаций, вызванных неоднородностью подлежащей материи. Анализируя эти «космические остатки», исследователи могут сказать, что только 17% материи во Вселенной состоит из обычных частиц, таких как протоны и нейтроны. Остальные 83% — это тёмная материя, которая практически не взаимодействует со светом или обычной материей, кроме как посредством гравитации.

По гравитационным эффектам можно многое узнать о тёмной материи. Мы знаем, что Млечный Путь содержит ореол из неё. Наша Солнечная система движется вокруг галактического центра слишком быстро, чтобы удерживаться одной лишь обычной материей: без гравитационной привязки тёмной материи нас бы выбросило в межгалактическое пространство. Мы также видим, как масса тёмной материи галактики искривляет путь света, достигающего земных телескопов. И в самом грандиозном масштабе мы наблюдаем, как сверхскопления галактик распределены в пространстве подобно каплям росы на паутине. Ни одна космологическая теория без тёмной материи не может объяснить все эти явления.

Однако все эти астрономические и космологические данные мало что говорят о том, из чего на самом деле состоит тёмная материя. «Они не говорят вам ничего об отдельных составляющих. Они лишь показывают эффект множества их вместе», — говорит Липпинкотт, который руководил экспериментом LZ, детектором WIMP-тёмной материи, работающим сейчас в бывшей шахте Хоумстейк в Южной Дакоте.

Идея WIMP-частиц возникла в 1980-х годах, когда теоретики исследовали дополнения к Стандартной модели — всеобъемлющей теории физики элементарных частиц, описывающей все фундаментальные частицы Вселенной и их взаимодействия. Стандартная модель сильна, но не объясняет всего — в частности, она не включает гравитацию, поэтому некоторые корректировки казались необходимыми. Самая популярная идея, класс теорий, называемых суперсимметрией (SUSY), предполагала сопряжение каждого известного типа частиц во Вселенной с ещё не наблюдаемым «суперпартнёром». Чтобы избежать обнаружения, суперпартнёры должны были обладать большой массой (что выводило их за пределы досягаемости существующих коллайдеров) и слабо взаимодействовать, способными проходить сквозь материю подобно призракам. То есть они были бы WIMP. Физикам не потребовалось много времени, чтобы понять, что WIMP также является отличным кандидатом на роль тёмной материи: две проблемы, одна частица.

Привлекательность SUSY была настолько сильна, что многие физики-элементарщики ожидали увидеть WIMP-частицы сразу после запуска БАК в 2008 году. Однако по мере поступления данных с БАК наиболее перспективные теории SUSY были в значительной степени исключены.

WIMP-частицы, однако, сохранились как кандидаты, больше не привязанные к теории, которая их породила. И последнее поколение детекторов тёмной материи продолжает эту охоту. В конце концов, как говорит Липпинкотт, «мотивация искать тёмную материю нисколько не ослабла, верно?»

Теперь кажется, что эти WIMP-частицы — если они существуют — могут находиться за пределами наших нынешних возможностей обнаружения. Существует ряд трудностей, но самая распространённая заключается в том, что при поиске иголки в стоге сена даже несколько других игольчатых объектов могут затруднить поиск. Взаимодействия между нейтрино и ксеноном внутри детекторов, хотя и астрономически редки, делают именно это.

Будущий, окончательный WIMP-эксперимент исследовал бы все оставшиеся места, где WIMP-частицы могли бы скрываться, даже заглядывая в «нейтринный туман». Проект под названием XLZD (несколько неуклюжий акроним, отражающий слияние существующих коллабораций) использовал бы от 60 до 80 метрических тонн жидкого ксенона, что составляет примерно годовое мировое производство этого редкого элемента и по меньшей мере в шесть раз больше ксенона, чем в самом большом текущем детекторе. Но он, возможно, уже был отменён по причинам, не связанным с нейтринным туманом: на встрече по физике элементарных частиц в декабре 2025 года Министерство энергетики США объявило, что США не будут ни принимать XLZD, ни оплачивать свою долю стоимости, которая могла бы превысить 300 миллионов долларов. «Возможно, проект вообще не состоится», — говорит Липпинкотт. «И тогда выход США фактически убил бы его».

Тем временем, поле охоты за тёмной материей значительно расширилось. В 2022 году исследователи разработали огромный график, показывающий различные кандидаты на то, из чего состоит тёмная материя, и их возможные массы. Варианты в основном попадали в два диапазона, охватывающие около 50 порядков величины (то есть 10⁵⁰, или 10 с 49 нулями). На тяжёлом конце шкалы находятся первичные чёрные дыры — гипотетические объекты размером с астероид, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва, и до сих пор блуждающие по Вселенной.

Но многие физики больше всего интересуются самым лёгким вариантом: аксионом.

Гипотеза аксиона: шёпот из космоса

Как и WIMP-частицы, аксион впервые появился как решение проблем Стандартной модели. В случае аксиона это было связано с нерешённым вопросом о сильном ядерном взаимодействии — фундаментальной силе, удерживающей атомные ядра вместе. Аксионы были предложены теоретиками в 1970-х годах как математическая поправка. Добавив частицу с массой от одной триллионной до одной миллионной массы электрона, они могли бы объяснить, почему сильное взаимодействие, кажется, ведёт себя совершенно одинаково как с материей, так и с антиматерией, хотя в этом нет необходимости — нерешённый вопрос, известный как проблема сильного CP-нарушения.

Аксионы должны быть многочисленны и редко взаимодействовать с обычной материей — две необходимые характеристики для тёмной материи. Однако обнаружение аксионов — непростая задача. Эти деликатные частицы несут лишь намёк на энергию — примерно столько же, сколько радиоволна. Это делает их незаметными для традиционных детекторов частиц. (Например, столкновения протонов на БАК несут примерно в квинтиллион раз больше энергии.)

Физики разработали стратегии, которые, как они надеются, принесут плоды. Одна из самых многообещающих идей — использовать сверххолодную камеру, насыщенную сильным магнитным полем, подобно радио, настраивая её на определённые длины волн. Если аксион оказывается резонансным, то есть имеет ту же длину волны, что и камера, он имеет шанс превратиться в нечто гораздо более лёгкое для обнаружения: частицу света. Первый полномасштабный детектор, называемый галоскопом, был построен в Ливерморской национальной лаборатории в 1994 году; сегодня по всему миру существует множество детекторов с причудливыми акронимическими названиями, такими как MADMAX и ABRACADABRA.

Настройка «космического радио» для прослушивания редкой невидимой частицы сложна и требует квантовых сенсоров, охлаждённых до милликельвинов — доли градуса выше абсолютного нуля. Даже это не полностью устраняет фоновый шум. «Однажды мы обнаружили «послание от Бога» в нашем эксперименте», — иронично рассказывает Рыбка. «Мы проверили это в распределении спектра FCC. Это была радиостанция с религиозными программами».

Пока физики-элементарщики прочесали где-то между 10% и 20% параметрического пространства — области на графике, показывающей, насколько массивной и интерактивной может быть тёмная материя, — где мог бы существовать аксион, решающий проблему сильного CP-нарушения. Но поиск аксионов может на этом не закончиться. Физики также ищут аксионы, которые не решают проблему сильного CP-нарушения, но всё же могут быть тёмной материей. «Всё больше людей думают о моделях специально для тёмной материи, даже не связывая это с какой-либо другой проблемой», — говорит Стефания Гори, теоретик из Калифорнийского университета в Санта-Крузе. «Конечно, — говорит она, — если можно решить более одной проблемы за раз, это ещё лучше».

Тихая революция: Тёмная материя малой массы

Поскольку тёмная материя остаётся необнаруженной, физики отказались от некоторых своих теоретических постулатов. Современные кандидаты не нуждаются в удобстве WIMP-частиц или изящной простоте аксионов; им нужно лишь соответствовать требованиям для тёмной материи.

Главным представителем этих непритязательных кандидатов является тёмная материя малой массы, названная так потому, что её вес находится где-то между электроном и протоном. Если WIMP — это бильярдный шар, то тёмная материя малой массы — это шарик для пинг-понга, объясняет Рувен Эссиг, теоретик из Университета Стоуни-Брук. Как шарик для пинг-понга, попадающий в кегли, тёмная материя малой массы не будет обладать достаточной силой, чтобы произвести чёткий сигнал от столкновения с атомными ядрами. «Нужно было действительно придумать новые идеи для обнаружения этих сигналов, а затем, конечно, и новые технологии», — говорит Эссиг.

Исследователи разработали новые детекторы и установили их в подземных лабораториях по всему миру — часто прямо рядом со своими предшественниками, ищущими WIMP-частицы. Некоторые из новых машин ищут свидетельства того, что частицы столкнулись с электронами и ионизировали их. Другие заглядывают в кристаллы, чьи решётки должны слегка дрожать после удара такой частицы. Существуют даже прототипы, которые ищут признаки в жидком гелии — чувствительной сверхтекучей жидкости, которая должна производить всплеск при ударе тёмной материи.

Однако есть загвоздка: шум. В то время как все эксперименты по обнаружению тёмной материи затруднены шумом из внешнего мира, поиски тёмной материи малой массы также страдают от внутреннего шума их сред-детекторов. Атомные решётки, подобные тем, что внутри кристаллов, похожи на переполненный вагон метро, естественно склонный к дрожанию и сотрясению своих электронных «пассажиров». Это не то тихое пространство, которое вам нужно, если вы ищете тёмную материю.

Этот шум создал проблемы. В 2020 году по целому ряду детекторов, ищущих тёмную материю малой массы, появилось удивительное количество того, что физики называют «избыточными событиями». Могут ли они, задавались вопросом некоторые физики, быть сигналом тёмной материи? К сожалению, источник шума, вызывающего большинство этих показаний, был идентифицирован, и ответ довольно твёрдое «нет».

Фоновый шум может исходить откуда угодно: примеси в кремниевых детекторах, материалы, которые слишком долго пробыли на поверхности Земли (космические лучи делают их слегка радиоактивными). В одном эксперименте кристаллический детектор был зажат слишком сильно; избыточное давление вызвало вибрации, которые выглядели как доказательства тёмной материи. «Всегда было трудно понять эти фоновые шумы», — говорит Дэн МакКинзи, экспериментатор из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. «Но мы так быстро изменили наш режим, что внезапно мы, как сообщество, не понимаем, каковы ключевые фоновые шумы».

Контроль этого фонового шума является ключевым, особенно по мере того, как эксперименты по обнаружению тёмной материи малой массы становятся всё больше. Через несколько лет, например, МакКинзи и его коллеги планируют установить ряд настольных экспериментов в Модане, Франция, под 1700 метрами твёрдой скалы на итальянской границе. Один из них — это сосуд с примерно столовой ложкой сверххолодного жидкого гелия. Если частица тёмной материи малой массы столкнётся с жидкостью, это вызовет вибрацию, которая распылит тысячи атомов гелия вверх, где кремниевые детекторы будут искать микроскопические изменения напряжения. Другие установки будут работать с сапфир-кремниевыми кристаллами и арсенидом галлия, полупроводником.

Эти эксперименты помогут исследователям определить наилучшие подходы для использования в более крупных, чувствительных и дорогих детекторах. «Идей по-прежнему много, и пока не совсем ясно, какая из них будет лучшей для реального масштабирования», — говорит Эссиг. Пока же, если это помещается на столе и может правдоподобно обнаружить тёмную материю, физики готовы попробовать.

Гравитационные подсказки: за пределами земных лабораторий

Охотничьи угодья для тёмной материи простираются за пределы любого стола и даже самой Земли. Некоторые исследователи предложили искать это вещество не в подземных лабораториях, а на планетах, звёздах и спутниках. Если частицы тёмной материи иногда аннигилируют при встрече друг с другом, они могли бы ионизировать водород в атмосфере планеты, создавая ультрафиолетовое полярное сияние, видимое из космоса. Эта самоаннигиляция также могла бы быть сильным источником тепла — достаточным для расплавления ядра планеты. Тот факт, что ядро Земли твёрдое, устанавливает пределы для характеристик тёмной материи, а более точное измерение температур ядер планет могло бы установить ещё более строгие ограничения.

Поиск астрофизических признаков тёмной материи не нов, но в последние годы физики стали почти артистичны в своих предложениях. Одно особенно яркое предложение: исследовать ледяной океан спутника Юпитера Ганимеда. Если тёмная материя действительно очень тяжёлая — возможно, первичная чёрная дыра — она могла бы пробить поверхность и оставить кратер, который выглядит совсем иначе, чем тот, что вызван астероидом.

Некоторые физики-элементарщики считают, что лучше отбросить все существующие предположения и перефокусироваться. «Всё, что мы знаем о тёмной материи, получено из её взаимодействия с гравитацией», — говорит Зурек из Калтеха. Если сосредоточиться именно на этом взаимодействии, говорит она, по крайней мере «вы гарантированно что-то узнаете». Мы знаем, как тёмная материя ведёт себя в масштабах наблюдаемой Вселенной вплоть до галактик. «Ниже этого уровня мы очень мало знаем о том, как тёмная материя коллапсирует под действием гравитации», — говорит Зурек. Например, как она собирается в сгустки на уровне солнечной системы?

В последние годы физики стали почти артистичны в своих предложениях. Одно особенно яркое предложение: исследовать ледяной океан спутника Юпитера Ганимеда.

Это не проект «следующего года» или «следующих пяти лет». Технологии, которыми располагают физики сейчас, просто недостаточно чувствительны для поиска этих гравитационных взаимодействий. Поэтому Зурек мыслит в долгосрочной перспективе. Действительно долгосрочной. «Это займёт десятилетия, вероятно, 100 лет», — признаёт она. «Возможно, это не то, что я увижу при своей жизни».

Когда-нибудь — возможно, путём мониторинга синхронизации далёких пульсаров (вращающихся остатков мёртвых звёзд) или измерения небольших возмущений в гравитационном взаимодействии между атомами, подвешенными в лазерах, — физики могли бы узнать больше об истинной природе тёмной материи.

На данный момент масштаб проблемы кажется огромным, особенно по сравнению с теми, которые физики-элементарщики решали в прошлом. Например, ещё до запуска БАК те, кто искал бозон Хиггса, уже сузили область поиска. Они знали, из строгих теоретических расчётов и надёжных экспериментальных измерений, что если бозон существует, его масса должна быть от 120 до 150 масс протона. Вскоре после того, как БАК начал сталкивать протоны, бозон Хиггса появился в данных, ровно с массой в 133 протона.

Тёмная материя, напротив, остаётся почти полной загадкой. Рыбка сравнивает предположения о её массе или силе взаимодействия с «вытягиванием чисел из шляпы». «Мы буквально даже не знаем, как выглядит эта шляпа», — добавляет он.

При таком количестве неизвестных успех далёк от определённости, и исследователи не питают иллюзий. «Открытие не гарантировано. Вы можете полностью потратить своё время впустую», — говорит Эссиг.

Однако это не отпугнуло его или других. «Такова природа проблемы. Мы должны искать далеко и широко и исследовать множество вещей», — говорит Эссиг. «Если вам это не нравится, занимайтесь чем-то другим».