30 октября были объявлены первые результаты LUX — нового эксперимента по поиску частиц темной материи. Статистика, накопленная за три месяца работы, не дает никаких надежных указаний на частицы темной материи. Установленные LUX ограничения в несколько раз улучшают то, что было получено до сих пор.
Астрофизические данные указывают на то, что во Вселенной помимо звезд, планет, газа и пыли есть много темной материи, которая исключительно слабо взаимодействует со «светлым» веществом. Она заполняет галактики и галактические скопления и состоит из частиц какого-то нового сорта, которым нет места в Стандартной модели. Ни массы, ни другие характеристики этих частиц достоверно не известны, хотя теорий на этот счет существует множество. Было бы здорово открыть эти новые частицы на Большом адронном коллайдере, но все попытки дают пока что отрицательные результаты.
В этой ситуации физикам остается лишь проводить эксперименты по поиску частиц темной материи в природе. Эти поиски бывают прямые и непрямые. Непрямые поиски — это попытки зарегистрировать какую-то необычную особенность в спектре фотонов большой энергии или космических лучей, приходящих к нам из глубокого космоса. Несмотря на некоторые интересные результаты, подтвержденных открытий здесь пока нет, и в этой новости мы непрямых поисков касаться не будем. Также темная материя в огромных количествах пролетает сквозь Землю.
Если ее частицы могут как-то взаимодействовать с обычным веществом, то такие столкновения должны изредка происходить в земной толще. Прямые поиски частиц темной материи — это как раз попытки зарегистрировать хоть одно такое столкновение в лабораторных условиях, внутри специального подземного детектора.» Кликните сюда для просмотра оффтоп текста.. «
Идея тут простая. Если частица темной материи сталкивается с ядром рабочего вещества детектора в каком-то атоме и упруго от него отскакивает, она передает ему некоторый импульс и энергию (рис. 2). С точки зрения детектора всё выглядит так, словно ядро резко толкнул кто-то невидимый. Это приводит к выделению небольшой энергии в детекторе, к ионизации атомов и к высвечиванию некоторой доли энергии в виде фотонов. Все эти проявления пытаются зарегистрировать датчики, установленные внутри емкости с рабочим веществом.
В отличие от детекторов в коллайдерных экспериментах, в которых события регистрируются многие тысячи раз в секунду, детекторы темной материи практически всё время «молчат» и только изредка срабатывают. И это совсем не потому, что частиц темной материи мало — их-то пролетает ежесекундно по несколько штук через каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Просто Земля для частиц темной материи почти прозрачна. Поэтому столкновения частиц темной материи с веществом детектора должны происходить очень редко, и типичный эксперимент по их поиску заключается в том, чтобы сидеть и терпеливо ждать месяцы и годы, стараясь при этом свести на нет все посторонние шумы и ложные срабатывания детектора.
Три основных параметра детекторов частиц темной материи, которые можно улучшать, — это объем, радиационная чистота и чувствительность. С объемом всё ясно: чем больше в нем вещества, тем крупнее сам детектор, а значит, тем больше частиц темной материи могут сквозь него пролететь за год, а также тем с большим количеством атомов у них есть шанс столкнуться. Если первые эксперименты проводились с килограммовыми массами, то самые последние детекторы содержат уже сотни килограммов вещества, а через несколько лет будут запущены эксперименты тонных масштабов.
Однако с увеличением объема растет и количество фоновых событий, т.е. случаев срабатывания детектора, которые возникают по «земным» причинам и никак не связаны с пролетом частиц темной материи. Прежде всего, на работу детектора могут влиять частицы космических лучей, но от этого фона можно избавиться, если установить детектор глубоко под землей. Намного труднее устранить распад радиоактивных изотопов, которые в следовых количествах находятся внутри детектора. Его можно минимизировать только сверхвысокой очисткой вещества от нестабильных изотопов. При этом радиационно чистым должно быть не только рабочее тело детектора, но и все материалы, используемые в изолирующих стенках и в регистрирующей аппаратуре (см. некоторые подробности в новости Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи, «Элементы», 21.04.2008).
Наконец, от детекторов частиц темной материи требуется еще и высокая чувствительность и надежность разделения сигнала и фона. Это означает, что датчики должны уметь регистрировать очень небольшое энерговыделение где-то в толще рабочего вещества (т.е. порог срабатывания должен быть низким), а также уметь аккуратно измерять его характеристики, например ионизацию или слабенькую вспышку света. Это всё дополнительно поможет отделить фон от сигнала и, в случае регистрации нескольких событий, повысить надежность интерпретации этого сигнала как проявления темной материи.
шо такэ горячая трубочка