Частицы темной материи щелкнули физиков в нос

После почти двух недель слухов и оживленных шептаний в коридорах физических институтов команда эксперимента по прямым поискам темной материи CDMS II (Cryogenic Dark Matter Search II) открыла карты. В двух американских исследовательских институтах в ночь на пятницу по Москве одновременно состоялись два доклада членов коллаборации CDMS о результатах обработки данных, которые два года копились на дне 700−метровой Суданской шахты в американском штате Миннесота.

 

По итогам очистки данных от шумов в регистре ударов темной материи по аппаратуре остались всего два события. Они могут оказаться первыми надежными свидетельствами существования в природе массивных слабовзаимодействующих частиц, или WIMP’ов (англ. Weakly Interacting Dark Matter Particles), из которых и состоит темная материя. Эти же частицы могут стать первым экспериментальным доказательством наличия в природе «суперсимметрии» — физического закона, подразумевающего наличие для каждой из существующих частиц массивного «суперпартнера».

А могут и не стать. Два события — слишком крохотная статистика, чтобы делать какой-либо уверенный вывод.

Неуловимая материя

Темная материя — это словосочетание, которым ученые умело маскируют свою неспособность объяснить результаты некоторых астрономических наблюдений. Впрочем, эта гипотетическая субстанция объясняет результаты независимых и очень разных экспериментов единым образом, и это придает уверенности, что она и вправду существует.

 

Что это за скрытая масса — никто не знает. Ясно лишь, что она обладает тяготением, но при этом не излучает света и не поглощает его. Отсюда и второе название этой субстанции — «темная материя». Поначалу ученые предполагали, что это может быть пыль, угасшие звезды или даже мириады маленьких планет, но со временем стало ясно, что она не может состоять из обычного вещества — протонов, нейтронов, электронов, из которых слеплено все, что нас очевидно окружает.

 

Темная материя должна также очень слабо взаимодействовать с веществом. Но если связь все-таки существует, можно поискать следы ударов темных частиц о ядра обычных атомов. В конце концов, астрономы уверены, что вся наша Галактика погружена в огромное облако темной материи, и ее частицы должны беспрерывно пронизывать Землю и нас самих. Иногда могут случаться и столкновения, и, хотя эти события должны быть очень редкими и почти незаметными, современные экспериментальные технологии позволяют надеяться, что эти поиски не будут напрасными.

По щелчку

Десять лет назад ученые под руководством Бернара Садуле из Университета Калифорнии в Беркли решили построить установку, которая будет заниматься такими поисками. Они взяли пластинки из очень чистого германия и кремния, охладили их до температуры всего на одну сотую градуса выше абсолютного нуля, снабдили детекторами звука и стали ждать «щелчков» от ударов темных частиц по ядрам.

 

Первые результаты этой работы, опубликованные несколько лет назад, слегка разочаровали — в заветной «статистической шкатулке» не оказалось ничего стоящего. Эксперимент усилили — добавили детекторов, понизили электронные шумы, чуть упростили процедуры обработки данных. Обновленный проект CDMS, который обозвали CDMS II, снова принялся прислушиваться к щелчкам.

 

Обработка материала, накопленного в 2007−2008 годах, завершилась лишь к концу 2009 года. Пару недель назад ученые наконец открыли «шкатулку», и физический мир наполнили самые разные слухи о том, что в ней оказалось. Как выяснилось сегодня, там были два события — щелчки от ударов по двум разным детекторам 5 августа и 27 октября 2007 года; еще одно событие почти попало в заветную область, но вызвало недопустимо большой отклик электрического детектора.

И да, и нет

Оба найденных в шкатулке события — очень «хорошие». Они случились в самом сердце детекторов, где шум минимален. Энергия щелчков, если принять стандартные предположения, соответствует массе WIMP’а в десятки (с натяжкой — сотни) ГэВ, что вполне допустимо с точки зрения теории. Означает ли это, что темную материю можно считать открытой?

 

Нет. Хотя методика и позволяет уменьшить шум до минимума, она не позволяет свести шум к нулю. По подсчетам ученых, ожидаемое количество шумовых событий в «шкатулке» составляет 0,6−0,8. Конечно, событий может быть только целое число, но такая оценка значит, что со вполне приличной вероятностью хотя бы одно из зафиксированных событий могло появиться здесь случайно. Вероятность того, что случайно появились целых два события, ученые оценивают в 25%.

 

Означает ли такая оценка, что с вероятностью 75% мы, наконец, поймали частицы темной материи? Ответ снова отрицательный. 25% включают в себя только те эффекты, про которые ученые знают и которые они учли. И хотя в высочайшем профессионализме команды CDMS II сомневаться не приходится, они вполне могут чего-то не учитывать: в конце концов, пока никто не знает, как искать частицы темной материи. Иначе бы это не называлось «исследованиями».

Добавить уверенности

Да и даже если они все учли правильно, в физике не принято считать открытиями результаты, полученные с неуверенностью в 25%. Более или менее общепринятым в этой науке является уровень сомнений в 0,1%. Для этого CDMS II должна услышать не два, а пять «щелчков».

 

Ученые уже работают над этим. В следующем году должно закончиться обновление аппаратуры, которое должно значительно увеличить чувствительность эксперимента CDMS. Тем временем ему на пятки уже наступают другие проекты, в первую очередь европейские XENON и EDELWEISS. Впрочем, команде CDMS II не стоит бояться конкуренции. Скорее наоборот, они должны надеяться, что их результаты будут подтверждены.

 

Infox.ru расскажет о результатах этих поисков.