Дело ясное, что дело темное: новейшие достижения в деле поиска темной материи

В существование темной материи, кажется, поверили даже отъявленные скептики. Она есть, с этим спорить трудно, иначе откуда у Вселенной такая масса, а у галактик и звезд — ​такие скорости? Но как темную материю увидеть (не говорю уже пощупать)? Пока история разворачивается по Маршаку: «Ищут давно, но не могут найти…»

Всем выйти из сумрака

Темную материю принято делить на два вида — ​горячую (состоящую из высокоэнергетических частиц) и холодную (из частиц помедленнее). На роль элементов холодной темной материи рассматривают несколько претендентов. Первые в списке — ​легчайшие аксионы. Однако они тоже пока что гипотетические. Эксперименты, которые якобы подтверждали существование аксионов, как правило, грешат неповторяемостью результатов. То есть недостоверностью. Ученые рук не опускают и с завидным упрямством продолжают поиски. Исследователи Амстердамского, Принстонского и Оксфордского университетов показали (опять же теоретически), что аксионы должны массово образовываться в полярных областях нейтронных звезд. Часть аксионов сможет вырваться наружу, но некоторые будут захвачены гравитационным полем звезд, и за миллионы лет их накопится столько, что можно будет говорить о целом облаке аксионов, взаимодействующем с сильным магнитным полем нейтронной звезды. Результатом этого взаимодействия, утверждают ученые в журнале Physical Review X, станет превращение аксионов в радиочастотные фотоны, которые можно обнаружить обычными чувствительными радиотелескопами на Земле.

Исследователи проанализировали механизмы взаимодействия аксионных облаков: самовзаимодействие, поглощение ядрами нейтронных звезд и электромагнитные взаимодействия — ​и пришли к выводу, что у большинства аксионных масс доминирует последний механизм, еще называемый резонансным смешением аксионов-­фотонов, который должен производить поток низкоэнергетических фотонов в радиочастотном диапазоне.

Избыточные столкновения тяжеловесов

Темную материю ищут все кому не лень — ​точнее, все, кто не занят квантовыми компьютерами и поделками из графена. Трое ученых из Испании, Швеции и США взяли за основу своих исследований WIMP-модель темной материи (weakly interacting massive particle, слабовзаимодействующая массивная частица). Как и аксион, вимп — ​частица гипотетическая и тоже кандидат в основные компоненты холодной темной материи. Предполагается, что, если вимпы существуют, они должны время от времени, сталкиваясь друг с другом, аннигилировать, порождая материю и антиматерию, в частности полноценные антиядра, часть которых может быть обнаружена в космических лучах.

Вообще, по Стандартной модели в космических лучах должно быть мало антиядер. Но магнитный альфа­спектрограф AMS‑02, установленный на борту Международной космической станции именно для поиска антиматерии и темной материи, за время своей работы зарегистрировал аномальный избыток антиводорода‑2, антигелия‑3 и антигелия‑4. Трио во главе с Педро де ла Торре Луке из Автономного университета Мадрида, моделируя разные граничные условия и ситуации, подсчитало, сколько антидейтронов и антигелия могут добавить в космическое излучение вимпы.

В статье, опубликованной в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, ученые пишут о неоднозначности своих выводов. Хотя антидейтронные события, измеренные AMS‑02, хорошо совместимы с моделью темной вимп-материи, результаты по антигелию‑3 укладываются в модель только при определенных сценариях. И что самое прискорбное, ни один стандартный вимп-сценарий не может объяснить обнаружение антигелия‑4. «Аннигиляция темной материи по-прежнему является наиболее многообещающим кандидатом для объяснения предварительных результатов AMS‑02. Но наличие антигелия‑4 требует построения иной модели темной материи или нового астрофизического механизма производства», — ​признают авторы. Впрочем, оптимизм их не покинул: «Если эти измерения надежны, мы, возможно, открываем окно для чего-то очень экзотического, происходящего в Галактике, что может быть связано с темной материей. Но это также может быть свидетельством того, что мы неожиданно столкнулись с новыми явлениями во Вселенной».

Туманные перспективы

Нейтринный туман — ​так назвали обнаруженную ими помеху ученые коллабораций PandaX‑4T Китайской подземной лаборатории Цзиньпин и XENONnT Национальной лаборатории Гран­Сассо в Италии. Ищут они вимпы. И один из способов поиска — ​ловля на живца. Глубоко под землей стоят гигантские резервуары с очищенным ультрахолодным жидким ксеноном. Столкновение вимпа с ядром ксенона, как ожидается, должно приводить к рождению фотонов или электронов. Увы, солнечные нейтрино высоких энергий могут порождать сигналы, удивительно похожие на сигналы от вимпов. Нейтринный туман затмевает потенциальные сигналы от кандидатов в темную материю в определенном пространстве параметров. Исследователи не отчаиваются. Во-первых, предупрежден — ​значит вооружен. А во‑вторых, заявляют они, результаты можно использовать для проверки предсказаний нейтрино в соответствии со Стандартной моделью, в исследованиях всплесков нейтрино от сверхновых и мониторинге выбросов нейтрино из ядерных реакторов в поддержку усилий по нераспространению.

Глубоко сижу, далеко гляжу

В продолжение темы нейтрино и нераспространения. Исследователи Университета Шеффилда (Великобритания) и Гавайского университета (США) разработали детектор, основанный на их же методе анализа спектра антинейтрино, испускаемых ядерными реакторами. В публикации AIP Advances ученые представили новинку, которая оценивает энергетические профили антинейтрино на большом расстоянии для мониторинга активности реактора. «Наряду с использованием в производстве электроэнергии ядерное деление было в значительной степени милитаризовано, и ядерные реакторы являются ключевой частью процесса производства материала, необходимого для распространения. <…> В частности, вызывает беспокойство перенаправление материала на производство плутония. В обществе сохраняется интерес к новым методам, которые предоставляют дополнительную информацию или менее интрузивные методы мониторинга реакторов и могут быть применимы к будущим типам реакторов», — ​пишут авторы.

Детектор пока существует только на бумаге, но статья убедительно показывает его преимущество по сравнению с реальными устройствами. Ученые предлагают собрать детектор на северо­-востоке Англии и мониторить реакторы во всей Великобритании, а также на севере Франции. Одна из основных проблем заключалась в отсеивании антинейтрино из космического излучения, которое может запутать сигнал, особенно если реакторы очень далеко — ​от них иногда долетает по антинейтрино в день. В итоге детектор предлагается разместить в шахте на более чем километровой глубине.