Найдены очередные следы темной материи
17-04-2013, 16:47. Разместил: VP
Детектор CDMS-II зафиксировал три события, которые могут быть интерпретированы как попадание в него частиц темной материи. По словам физиков, это все еще не позволяет уверенно говорить об открытии и может быть списано на случайные помехи, но все же вселяет определенные надежды.
В своем докладе перед Американским физическим обществом специалисты Массачусетского технологического института подчеркнули две детали. Во-первых, подобные события фиксировались и раньше, еще в 2010 году - тогда прибор сработал дважды, а при отсутствии темной материи следовало бы ожидать в среднем 0,7 срабатываний за то время, за которое в реальном эксперименте насчитали три. Проведенные учеными расчеты говорят о том, что случайное совпадение можно исключить с вероятностью 99,81%, поэтому речь идет далеко не о пустых предположениях.
Во-вторых, если это все-таки не помехи, попавшие в детектор частицы темной материи оказываются слишком легкие. Теоретические модели дают намного больше тех 8,6 гигаэлектронвольт, которые получаются из новых данных и это говорит либо о неточности моделей, либо о неправильной обработке данных... либо о том, что CDMS-II все-таки сработал вовсе не из-за WIMP-ов. WIMP это weakly interacting massive particles, то есть - в дословном переводе - слабо взаимодействующие массивные частицы. Своего рода старшие братья нейтрино, столь же легко проходящие через обычную материю и при этом обладающие намного большей массой.
Массу элементарных частиц физики, кстати, измеряют вовсе не в килограммах. Ни в одном сообщении вам не попадается указание массы в единицах СИ, зато будут указаны кратные электронвольту МэВ и ГэВ. В соответствии с теорией относительности Эйнштейна даже покоящиеся частицы обладают энергией, вычисляемой по знаменитой E=mc2, а экспериментально измеряется именно энергия частиц. Энергия покоя протона, для сравнения, равна 0,938 ГэВ (938 МэВ), так что предполагаемые WIMP-ы тяжелее в девять раз. Кроме того, они еще хуже нейтрино взаимодействуют с обычным веществом, поэтому ученым приходится строить сложные детекторы в подземных шахтах.
Охоту за трудноуловимой частицей CDMS-II ведет в заброшенных железных шахтах на севере штата Миннесота, которые к моменту своего закрытия уходили на 27 ярусов вниз, достигая отметки в 713 метров ниже поверхности. В 1965 году шахту пожертвовали университету, в 1980-х там начались эксперименты в области физики элементарных частиц, а потом там построили и детекторы для WIMP-ов. Почему именно в тоннелях? Из-за отличной естественной защиты от космических лучей - редкая частица, кроме нейтрино, пролетит через почти километр железной руды; сверхчувствительному оборудованию можно не бояться засветки за счет летящих от Солнца частиц. Японский нейтринный детектор, про который мы недавно писали, тоже находится под землей и это общепринятая практика - в шахтах и тоннелях ставят баки с каким-нибудь прозрачным веществом, обкладывают их по периметру детекторами, способными засечь слабые вспышки и ждут.
Лишь российские физики оказались в привелигированном положении и не стали спускать в шахту бак с чистой водой. Вместе с германскими коллегами они спустили гирлянды из фотоумножителей (устройств для регистрации слабых вспышек) на дно Байкала - где и вода чистая, и места предостаточно.
"Слабо" - это не просто эпитет
"Слабое взаимодействие" - это в данном случае не просто признание того, что частицы практически не проявляют себя при столкновении с обычной материей. Все многоообразие взаимодействий частиц сводится к четырем фундаментальным - электромагнитному, гравитационному и еще двум, проявляющих себя только в масштабе мира элементарных частиц. Одно из таких микровзаимодействий стягивает вместе одноименно заряженные протоны в ядре и кварки внутри протонов (нейтронов, разумеется, тоже), поэтому его ученые называют сильным взаимодействием. Второе же проявляется при распаде некоторых частиц и при превращении кварков разных типов друг в друга - его физики назвали слабым. Чтобы две частицы (например, два нейтрино) провзаимодействовали между собой за счет слабых сил нужно очень точно направить их друг на друга, этот простой факт на профессиональном языке формулируется как "нейтрино и другие слабо взаимодействующие частицы имеют малое сечение взаимодействия".
Мы не можем просто направить WIMP-ы, если они действительно существуют, точно на протон или нейтрон внутри атома. Нам приходится ждать, пока одна из таких частиц все-таки попадет куда надо - и при этом нельзя забывать о возможных помехах. С учетом всех технических сложностей окончательного сообщения о поимке WIMP ждать придется еще довольно долго, но здесь американская группа из университета Миннесоты не одинока. Ту же темную материю ищут и на орбите Земли, причем недавно мы даже писали про то, что детектор AMS-02 на МКС тоже зафиксировал нечто подозрительное.
99,81%
Всегда есть вероятность того, что приборы выдали те показания, которые видят ученые, вовсе не из-за реального попадания в них нужной частицы, а из-за какой-то помехи или неудачного сочетания помех. Однако теория вероятности позволяет оценить вероятность того, что при известном уровне помех (шума, как говорят ученые) оборудование выдаст наблюдаемый результат: и для сообщения об открытии в области физики элементарных частиц считается необходимым снизить вероятность ошибки хотя бы до 0,00006%. Когда можно будет сказать, что только редчайшее сочетание случайных помех могло выдать такую же картину - тогда говорят об открытии. А пока результат обнадеживающий, но требующий проверки.
Простая аналогия - сколько бросков монетки, которая всегда падает орлом вниз, нужно для уверенного утверждения о том, что перед вами не обычный рубль? Очевидным образом парой-тройкой бросков не обойтись, а вот если 21 раз подряд выпал "орел" - то это уже повод для сообщения об открытии.
Вернуться назад