Неуловимая "темная материя": физическую тайну надеются раскрыть глубоко под землей

Споры о "темной материи" занимают научные умы уже более двух десятилетий. Чтобы раскрыть эту тайну в Южной Корее построили новую подземную лабораторию на глубине 1 км.

В теории, 85% массы Вселенной составляет темная материя. Однако до сих пор доказательства ее существования удалось получить только одной группе ученых 21 год назад. Все последующие исследования не смогли получить аналогичные результаты, что поставило под сомнение данные эксперимента DAMA/LIBRA, который проводился в Национальной лаборатории Гран-Сассо (LNGS) в Италии. В новой подземной лаборатории в Южной Корее ученые хотят бросить очередной вызов неуловимой "темной материи" т положить конец научным спорам о ее существовании.

Об этом пишет научный журнал Nature.

Спорные доказательства существования "темной материи"

Сложность в обнаружении темной материи состоит в том, что ее нельзя просто увидеть, так как она почти не взаимодействует с обычной материей и вообще не взаимодействует со светом. Но авторы эксперимента DAMA/LIBRA утверждают, что зафиксировали контакт с темной материей кристаллов йодида натрия, которые излучали световые микровспышки при столкновении с ее частицами. Детектор DAMA/LIBRA регистрировал цикличное годовое изменение интенсивности этих вспышек, что соответствует теории потоков темной материи в нашей галактике.

Эта теория состоит в том, что пока Земля вращается вокруг Солнца, Солнце вращается вокруг черной дыры в центре Млечного Пути. В июне Земля движется через Млечный Путь в том же направлении, что и Солнце, увеличивая свою относительную скорость сквозь дымку темной материи. Но в декабре Земля движется параллельно с потоком темной материи в направлении, противоположном Солнцу. Как и ожидалось, количество вспышек, зарегистрированных детектором DAMA/LIBRA, было самым высоким в июне и самым низким в декабре.

Неразрешимая загадка "темной материи"

Несколько групп ученых попытались воспроизвести результаты DAMA/LIBRA, используя аналогичные методы и материалы в своих детекторах. Среди них — эксперименты COSINE-100, который запустили в 2016 году в подземной лаборатории "Янъян" в Южной Корее, ANAIS-112 в Испании и проект китайской лаборатории "Цзиньпин".

После того, как ни один из них не дал результатов, хотя бы отдаленно соответствующих результатам DAMA/LIBRA, встал вопрос: не связано ли изменение интенсивности вспышек света на кристаллах йодида натрия с чем-то другим, например с самим детектором, или с ошибками в используемых методах анализа.

"Эта загадка все еще существует и спустя 20 лет", – сказала Мария Луиза Сарса, работающая над экспериментом ANAIS-112.

Но чтобы окончательно подтвердить или опровергнуть результаты DAMA/LIBRA, эксперименты должны максимально точно воссоздать условия первоначального эксперимента.  Например, хотя в детекторе COSINE-100 используются кристаллы йодида натрия того же типа, их радиоактивность в три раза выше, что потенциально может исказить слабые сигналы частиц темной материи и затруднить получение результата.

Новый грандиозный проект по поиску "темной материи"

Чтобы создать идеальные условия для поиска неуловимой "темной материи" и положить конец научным спорам, в Южной Корее построили новую лабораторию площадью 3000 кв. м в выработанной шахте под горой в Чонсоне на глубине 1000 метров под землей. Строительство объекта обошлось в 23 миллиона долларов США.

В июне 2024 года исследователи завершат установку обновленного детектора на новом объекте, который получил название Yemilab.

"Если все пойдет по плану, модернизированный эксперимент COSINE-100 будет запущен к августу", – рассказал Хюн Су Ли, физик из южнокрейского Института фундаментальных наук (IBS) в Тэджоне.

По словам Ли, в обновленном эксперименте будут использоваться улучшенные кристаллы йодида натрия с повышенной чувствительностью. Команда также разрабатывает другой набор кристаллов, с еще более низкой радиоактивностью, для следующего этапа эксперимента COSINE-200. Гипотеза эксперимента предполагает, что снижение радиоактивности кристаллов позволит быстрее собрать необходимое количество данных, чтобы подтвердить или опровергнуть результаты эксперимента DAMA/LIBRA, а также заняться поиском маломассивной темной материи.

"Детектор с более низким фоном упростил бы все аспекты анализа", – подчеркнул ученый.

Что еще хотят найти ученые в лаборатории Yemilab

В Yemilab будет создана максимально защищенная среда для обнаружения других неуловимых частиц, помимо темной материи. В ходе экспериментов детектор также будет "охотиться" за нейтрино – беззарядными частицами, почти не имеющими массы. Во второй фазе эксперимента под названием AMoRE ученые попытаются найти доказательства существования гипотетического безнейтринного двойного β-распада – процесса, в котором два нейтрона распадаются на протоны и электроны без испускания нейтрино. Если существование этого процесса удастся доказать, это будет подтверждением, что нейтрино являются собственными античастицами, и может объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии.

По словам физика Николы Росси из LNGS, независимо от того, удастся ли двум экспериментам обнаружить те редкие события, которые они ищут, или нет, они, тем не менее, вызовут еще больше вопросов. 

"Если оба эксперимента дадут лишь нулевые результаты, нам следует серьезно начать переосмысливать Вселенную", – сказал ученый.