Невловима "темна матерія": фізичну таємницю сподіваються розкрити глибоко під землею

Суперечки про "темну матерію" займають наукові уми вже понад два десятиліття. Щоб розкрити цю таємницю у Південній Кореї збудували нову підземну лабораторію на глибині 1 км.

Теоретично, 85% маси Всесвіту становить темна матерія. Однак досі докази її існування вдалося отримати лише одній групі вчених 21 рік тому. Усі подальші дослідження не змогли отримати аналогічні результати, що поставило під сумнів дані експерименту DAMA/LIBRA, який проводився у Національній лабораторії Гран-Сассо (LNGS) в Італії. У новій підземній лабораторії в Південній Кореї вчені хочуть кинути черговий виклик невловимій "темній матерії" і покласти край науковим суперечкам про її існування.

Про це пише науковий журнал Nature.

Спірні докази існування "темної матерії"

Складність у виявленні темної матерії полягає в тому, що її не можна просто побачити, оскільки вона майже не взаємодіє зі звичайною матерією і взагалі не взаємодіє зі світлом. Але автори експерименту DAMA/LIBRA стверджують, що зафіксували контакт із темною матерією кристалів йодиду натрію, які випромінювали світлові мікроспалахи при зіткненні з її частинками. Детектор DAMA/LIBRA реєстрував циклічну річну зміну інтенсивності цих спалахів, що відповідає теорії потоків темної матерії в нашій галактиці.

Ця теорія полягає в тому, що поки Земля обертається навколо Сонця, Сонце обертається навколо чорної діри в центрі Чумацького Шляху. У червні Земля рухається через Чумацький Шлях у тому напрямі, як і Сонце, збільшуючи свою відносну швидкість крізь серпанок темної матерії. Але у грудні Земля рухається паралельно з потоком темної матерії у напрямку, протилежному Сонцю. Як і очікувалося, кількість спалахів, зареєстрованих детектором DAMA/LIBRA, була найвищою в червні і найнижчою в грудні.

Нерозв'язна загадка "темної матерії"

Декілька груп вчених спробували відтворити результати DAMA/LIBRA, використовуючи аналогічні методи та матеріали у своїх детекторах. Серед них — експерименти COSINE-100, який запустили у 2016 році у підземній лабораторії "Ян'ян" у Південній Кореї, ANAIS-112 в Іспанії та проєкт китайської лабораторії "Цзіньпін".

Після того, як жоден з них не дав результатів, хоча б віддалено відповідних результатам DAMA/LIBRA, постало питання: чи не пов'язана зміна інтенсивності спалахів світла на кристалах йодиду натрію з чимось іншим, наприклад із самим детектором, або з помилками у використаних методах аналізу.

"Ця загадка все ще існує і через 20 років", — сказала Марія Луїза Сарса, яка працює над експериментом ANAIS-112.

Але щоб остаточно підтвердити чи спростувати результати DAMA/LIBRA, експерименти мають максимально точно відтворити умови початкового експерименту. Наприклад, хоча в детекторі COSINE-100 використовуються кристали йодиду натрію того ж типу, їхня радіоактивність утричі вища, що потенційно може спотворити слабкі сигнали частинок темної матерії та утруднити отримання результату.

Новий грандіозний проєкт з пошуку "темної матерії"

Щоб створити ідеальні умови для пошуку невловимої "темної матерії" та покласти край науковим суперечкам, у Південній Кореї збудували нову лабораторію площею 3000 кв. м у виробленій шахті під горою у Чонсоні на глибині 1000 метрів під землею. Будівництво об'єкта коштувало 23 мільйони доларів США.

У червні 2024 року дослідники завершать встановлення оновленого детектора на новому об'єкті, який отримав назву Yemilab.

"Якщо все піде за планом, модернізований експеримент COSINE-100 буде запущено до серпня", — розповів Хюн Су Лі, фізик із південнокрейського Інституту фундаментальних наук (IBS) у Теджоні.

За словами Лі, в оновленому експерименті використовуватимуться покращені кристали йодиду натрію з підвищеною чутливістю. Команда також розробляє інший набір кристалів з ще нижчою радіоактивністю для наступного етапу експерименту COSINE-200. Гіпотеза експерименту передбачає, що зниження радіоактивності кристалів дозволить швидше зібрати необхідну кількість даних, щоб підтвердити або спростувати результати експерименту DAMA/LIBRA, а також зайнятися пошуком маломасивної темної матерії.

"Детектор з нижчим тлом спростив би всі аспекти аналізу", – наголосив учений.

Що ще хочуть знайти вчені у лабораторії Yemilab

У Yemilab буде створено максимально захищене середовище для виявлення інших невловимих частинок, крім темної матерії. У ході експериментів детектор також "полюватиме" за нейтрино — беззарядні частинки, що майже не мають маси. У другій фазі експерименту під назвою AMoRE вчені спробують знайти докази існування гіпотетичного безнейтринного подвійного β-розпаду – процесу, в якому два нейтрони розпадаються на протони та електрони без нейтрино. Якщо існування цього процесу вдасться довести, це буде підтвердженням, що нейтрино є власними античастинками, і може пояснити, чому у Всесвіті більше матерії, ніж антиматерії.

За словами фізика Ніколи Россі з LNGS, незалежно від того, чи вдасться двом експериментам виявити ті рідкісні події, які вони шукають, чи ні, вони викличуть ще більше питань.

"Якщо обидва експерименти дадуть лише нульові результати, нам слід серйозно почати переосмислювати Всесвіт", – сказав учений.