Что пошло не так в ранних экспериментах по поиску тёмной материи
Тёмная материя остаётся главной загадкой физики. На её долю приходится около 85% всей массы материи во Вселенной, и именно она удерживает галактики от распада. Но из чего она состоит — неизвестно. Последние 30 лет учёные искали вимпы — гипотетические тяжёлые частицы. Физики строили сверхчувствительные детекторы глубоко под землёй, но так и не смогли ничего найти. Рассказываем, как самые многообещающие эксперименты оказались ошибкой и что наука делает теперь.
Загадка эксперимента DAMA/LIBRA
В Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, под толщей горной породы, работает эксперимент DAMA/LIBRA. Уже 20 лет он выдаёт результат, который невозможно игнорировать и трудно объяснить.
Учёные ищут не просто столкновение частицы с детектором, а так называемую годовую модуляцию. Идея проста и красива:
- Солнечная система движется через облако (гало) тёмной материи.
- Земля вращается вокруг Солнца.
- Летом Земля летит навстречу этому «ветру» тёмной материи, поэтому скорость столкновений должна быть выше.
- Зимой Земля движется по направлению ветра, и число сигналов должно падать.
Гало тёмной материи, смоделированное при помощи компьютерных методов
Детектор DAMA, состоящий из кристаллов йодида натрия (NaI), фиксирует эти колебания с поразительной точностью уже два десятилетия. Статистическая значимость сигнала достигла 13.7σ — в физике это означает практически абсолютную уверенность в том, что сигнал не случаен.
Почему этому никто не верит?
Проблема в том, что DAMA — единственная установка, которая видит этот сигнал. Другие, более современные и чувствительные детекторы, например XENONnT или LUX, которые используют жидкий ксенон, видят только пустоту.
Загадка тёмной материи: что скрывают 85% Вселенной?
Если бы DAMA действительно регистрировала вимпы, то ксеноновые детекторы, обладающие большей массой и чувствительностью, должны были бы фиксировать тысячи событий. Но они молчат. Это поставило физиков перед выбором: либо итальянцы открыли «новую физику», либо они совершили одну из самых дорогих ошибок в истории, не учтя земные помехи.
Проверка реальностью: ANAIS и COSINE
Чтобы поставить точку в споре, учёные решили повторить эксперимент DAMA в точности: с тем же материалом детектора (йодид натрия), но на других установках. Так появились проекты ANAIS-112 в Испании и COSINE-100 в Южной Корее.
Детектор ANAIS-112 в разрезе
К 2024–2025 годам они опубликовали результаты многолетних наблюдений:
- ANAIS-112: за 6 лет работы никакой годовой модуляции не найдено. Результаты опровергают данные DAMA с уверенностью более 4σ.
- COSINE-100: за 6,4 года также не обнаружено сигнала выше фона.
Совместный анализ этих данных фактически закрывает вопрос: сигнал DAMA не связан с тёмной материей.
Что же видит DAMA?
Если это не тёмная материя, то что? Скорее всего, детектор реагирует на банальные сезонные изменения в самой шахте или атмосфере. Это могут быть сигналы, например, от атмосферных мюонов. Поток этих частиц меняется в зависимости от температуры атмосферы. Хотя фазы не совпадают идеально, мюоны могут вызывать долгую фосфоресценцию в кристаллах, имитируя сигнал.
На электронику и чувствительность датчиков также могут влиять сезонные колебания концентрации радона в шахте или уровня влажности. Независимые исследователи указывают, что метод вычитания фона, который использует команда DAMA, может сам по себе создавать искусственную модуляцию из обычного шума. Проверить это сложно, так как команда DAMA не предоставляет исходные данные для независимого анализа.
Криогенные ошибки: урок CDMS
Эксперимент DAMA — не единственный пример того, как желаемое принимали за действительное. Поучительная история произошла с криогенным детектором CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) в США.
В 2014 году коллаборация CDMS II объявила о регистрации трёх событий, очень похожих на вимпы. Вероятность того, что это просто фон, составляла всего 0,19% (около 3σ). Это выглядело как открытие частицы с массой около 8,6 ГэВ. Однако при переходе к более совершенном детектору SuperCDMS выяснилось, что это была ошибка.
Детекторы CDMS регистрируют и заряд, и тепло (фононы) от частицы. Это позволяет отличать фон от тёмной материи. Слабым местом оказалась поверхность детектора. Происходящие в «мёртвом слое» на поверхности события теряют часть заряда и на графиках «сползают» в зону, где ожидаются вимпы.
Визуализация карт тёмной материи, полученных телескопом Хаббл в рамках обзора COSMOS
Те три «золотых» события оказались обычными бета-частицами от распада свинца-210 на поверхности кристалла. Этот случай научил физиков, что даже самые чистые эксперименты уязвимы перед поверхностным загрязнением.
Смена парадигмы
Неудачи DAMA и CDMS, а также молчание Большого адронного коллайдера, который так и не нашёл суперсимметричных частиц, привели к кризису теории вимпов. Наука начинает искать «не там». Сейчас актуальны два новых направления.
Аксионы
Вместо тяжёлых вимпов физики начали искать сверхлёгкие частицы — аксионы. Они ведут себя скорее как волны, заполняющие пространство.
Лидер в этой области — эксперимент ADMX. Он работает не как классический детектор ударов, а как радиоприёмник. Используя мощный магнит, учёные пытаются «настроить» установку на частоту, где аксионы превращаются в микроволновые фотоны. В 2024–2025 годах ADMX достиг чувствительности, достаточной для реального открытия, но пока сканирует диапазоны частот.
Модифицированная гравитация (MOND)
Ещё более радикальный подход — отказ от тёмной материи вовсе. Теория MOND предполагает, что при очень малых ускорениях законы Ньютона и Эйнштейна работают иначе.
В 2023–2024 годах разгорелся спор вокруг наблюдений за широкими двойными звёздами. Одна группа астрофизиков заявила, что видит аномалии скоростей, предсказанные MOND. Другая группа, проведя более строгий отсев данных, опровергла это, показав, что всё работает по Ньютону. Точку в этом споре пока ставить рано, но данные телескопа Джеймса Уэбба (JWST) о ранних массивных галактиках дают сторонникам MOND новые аргументы.
Что в итоге
Ранние эксперименты, такие как DAMA и CDMS, не нашли тёмную материю, но дали бесценный урок: в поисках невидимого легко обмануть самих себя. В попытке обнаружить неуловимые частицы можно принять желаемое за действительное — в этом была проблема результатов, полученных установками DAMA и CDMS.
Постепенно физики уходят от поиска тяжёлых частиц к изучению сверхлёгких волн (аксионов) и пересмотру законов гравитации. Ответ на вопрос, из чего состоит Вселенная, всё ещё не найден, но неудачные результаты прошлых экспериментов существенно сузили область поиска.
Физик утверждает, что тёмной материи не существует, а Вселенной 27 млрд лет