Тёмная материя: что опять пошло не так?

Недавние результаты эксперимента LUX-Zeplin (LZ), одного из самых чувствительных детекторов в мире, вновь оставили учёных без прямых доказательств существования тёмной материи, хотя именно на эти результаты возлагались большие надежды. Несмотря на годы исследований и совершенствование технологий, тёмная материя продолжает оставаться одной из величайших загадок современной физики.

Тёмная материя, по расчётам учёных, должна составлять около 85% всей материи Вселенной. Однако её особенность заключается в том, что она не взаимодействует с электромагнитным излучением — не излучает и не поглощает свет, что делает её невидимой для всех известных детекторов. Именно это свойство и усложняет её обнаружение. В космосе она проявляет себя исключительно через гравитационные взаимодействия, влияя на движение галактик и их вращение.

Самым перспективным кандидатом на роль тёмной материи долгое время считались WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы). Согласно теории, эти частицы, обладая значительной массой, не взаимодействуют с обычной материей напрямую, но могут быть обнаружены через гравитационные эффекты или при столкновениях с атомами в детекторах, подобных LUX-Zeplin.

Эксперимент LUX-Zeplin и его результаты

LUX-Zeplin — это один из самых продвинутых детекторов для поиска тёмной материи. Он расположен на глубине почти 1500 метров в бывшей золотодобывающей шахте в Южной Дакоте, что помогает защитить его от влияния космических лучей, которые могут создавать помехи при поиске тёмной материи. Для регистрации сигналов используется 10 тонн жидкого ксенона, охлаждённого до -100°C. Когда частицы тёмной материи (если они существуют) проходят через этот детектор, они могут столкнуться с атомами ксенона, оставив слабый, но измеримый след.

Однако, после 280 дней работы детектора, учёные не зафиксировали следов WIMP-частиц. Это поставило под сомнение гипотезу, что именно эти частицы ответственны за таинственные гравитационные эффекты, наблюдаемые в космосе.

Несмотря на это, результаты эксперимента не оказались бесполезными. LUX-Zeplin помог сузить диапазон возможных масс и взаимодействий WIMP. Эксперимент продемонстрировал значительное улучшение чувствительности по сравнению с предыдущими исследованиями, однако осталась одна область, которую детектор не смог проанализировать — частицы с массой менее 9 ГэВ. Если тёмная материя окажется значительно легче, чем предполагалось ранее, это может означать, что она вовсе не связана с WIMP, и учёным предстоит пересмотреть свои теории.

Проблема нейтрино и будущее исследований

Дальнейшие исследования планируют создание ещё более чувствительных детекторов. Однако, существует предел чувствительности, который учёные называют « нейтринным фоном ». Земля постоянно пронизана частицами, называемыми нейтрино, которые создают слабые сигналы, схожие с теми, что ожидаются от тёмной материи. Когда детекторы достигнут уровня, при котором они смогут фиксировать нейтрино, дальнейшие поиски тёмной материи с использованием WIMP-частиц станут невозможными.

Предполагается, что для достижения этого уровня потребуется ещё 10–15 лет, но даже такие продвинутые технологии не гарантируют успеха. Тем не менее, учёные не планируют останавливаться. В то время как теория WIMP теряет свою актуальность, исследователи начинают обращать внимание на другие возможные кандидаты на роль тёмной материи, такие как аксионы — частицы с намного меньшей массой, для обнаружения которых потребуются совершенно иные технологии.

Несмотря на отсутствие прямых доказательств тёмной материи, поиски продолжаются. Современные эксперименты, такие как LUX-Zeplin, постепенно помогают исключить различные гипотезы, направляя учёных в новые области исследований. Загадка тёмной материи остаётся нерешённой, но стремление раскрыть её природу побуждает физиков по всему миру продолжать искать ответы на один из самых сложных вопросов Вселенной.