В поисках невидимого: как физики охотятся за темной материей 0:02
Темная материя остается одной из величайших загадок современной космологии. Несмотря на то что она составляет около 27% состава Вселенной, её природа до сих пор не установлена, так как она не взаимодействует с электромагнитным излучением. На мероприятии, организованном Perimeter Institute совместно с Arthur B. McDonald Canadian Astroparticle Physics Research Institute, астрофизик Кэти Мак и физик Кен Кларк рассказали о том, почему ученые уверены в существовании этого «невидимого клея» и какими методами пытаются обнаружить его частицы.
🌌 Что такое темная материя и как мы её «видим» 4:29
По словам Кэти Мак, темная материя — это не энергия, а особый вид материи, обладающий массой и гравитацией, но лишенный электрического заряда. Она окружает галактики, образуя гигантские «гало», и удерживает звезды от разлетания в разные стороны.
Ключевые доказательства существования темной материи:
- Динамика галактик: В 1970-х годах Вера Рубин обнаружила, что звезды на окраинах спиральных галактик вращаются с той же скоростью, что и в центре, хотя должны двигаться медленнее. Это указывает на наличие дополнительной невидимой массы.
- Гравитационное линзирование: Массивные объекты искажают пространство вокруг себя, изгибая свет от более далеких галактик. Астрономы наблюдают это искажение, которое невозможно объяснить только видимой материей.
Как поясняет Мак, темная материя проходит сквозь Землю и людей, никак не взаимодействуя с электронами в нашем теле, поэтому мы не можем её «потрогать».
🧪 Стратегии поиска: «Создать, сломать, потрясти» 36:18
Кен Кларк, специализирующийся на экспериментальной физике, выделил три основных подхода к поиску темной материи, которые он метафорично назвал «создать, сломать и потрясти».
- Создать (Production): Ученые используют ускорители частиц, сталкивая протоны или электроны на огромных скоростях. Цель — обнаружить «недостающую энергию» после столкновения, что может указывать на рождение частиц темной материи.
- Сломать (Indirect Detection): Идея заключается в том, что частицы темной материи могут аннигилировать (уничтожать друг друга) при столкновении, превращаясь в поток обычных частиц (например, нейтрино), которые уже можно зафиксировать детекторами вроде IceCube.
- Потрясти (Direct Detection): Самый сложный метод, направленный на фиксацию прямого удара частицы темной материи по ядру атома в детекторе. Энергия такого отдачи ничтожна — около $10^{-16}$ джоулей, что требует экстремально чувствительного оборудования.
❄️ Секреты глубокого подземелья: SNOLAB 56:13
Для успешного «трясущего» метода ученым необходимо избавиться от шумов, вызванных космическим излучением. Кен Кларк подчеркнул важность лаборатории SNOLAB, расположенной на глубине двух километров под землей в Канаде.
- Защита: Толща канадского щита снижает фон от космических лучей в 50 миллионов раз.
- Чистота: Лаборатория работает как чистая комната класса 2000, где количество частиц пыли размером более 0,5 микрон строго ограничено. Каждый предмет, попадающий внутрь, проходит через специальную мойку.
- Детекторы: В лаборатории используются такие проекты, как Pico (перегретые жидкости), SuperCDMS (криогенные кристаллы) и LZ (детектирование света в ксеноне).
На вопрос из зала о том, был ли получен успех, Кларк честно ответил: на данный момент убедительных сигналов нет, несмотря на десятилетия работы, но поиски продолжаются.
