Почему это важно
Темная материя — это гипотетическая форма материи, которая составляет около 27% массы-энергии Вселенной, но не излучает, не поглощает свет и не взаимодействует с электромагнитными полями, что делает ее невидимой для традиционных методов наблюдения.
Ее существование было предложено для объяснения аномалий во Вселенной. Если посчитать всю видимую материю в галактике — звезды, газ и пыль — выходит, что звезды на ее краях должны двигаться медленно. Но на деле они движутся быстрее. Значит, в галактике есть что-то еще, невидимое, что притягивает звезды. Эту невидимую вещь называют темной материей. Предполагается, что она состоит из неизвестных частиц, таких как слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP) или аксионы.
Обнаружение темной материи могло бы перевернуть наше понимание физики, подтвердив или опровергнув теории, такие как суперсимметрия, или раскрыв новые частицы. Суперсимметрия — это гипотеза, согласно которой у каждой известной частицы есть «партнер» — более тяжелая суперчастица. В 2025 году ученые по всему миру продолжают совершенствовать детекторы, чтобы поймать сигналы этих частиц. Успех этих экспериментов может стать одним из крупнейших научных прорывов XXI века.
Как ищут невидимое: принципы работы детекторов
Поиск темной материи — одна из самых амбициозных задач современной физики. Хотя мы не можем наблюдать эти частицы напрямую, ученые предполагают, что в редких случаях они могут взаимодействовать с обычной материей, оставляя слабые, но уловимые следы. На этом принципе строится работа различных детекторов, каждый из которых использует свой подход к «вылавливанию» этих невидимых частиц.
Наиболее распространенный метод — прямое обнаружение. В его основе лежат подземные установки, заполненные жидким ксеноном или аргоном. Если частица темной материи сталкивается с ядром атома или электроном внутри детектора, она может вызвать микроскопическую вспышку света (сцинтилляцию) или ионизацию — выбивание электронов. Эти сигналы улавливаются сверхчувствительными датчиками. Чтобы избежать ложных срабатываний от фонового излучения, такие эксперименты размещаются глубоко под землей, вдали от космических лучей и других источников шума.
Другой подход используется при поиске аксионов — это гипотетические, пока не обнаруженные частицы, которые тоже могут составлять темную материю. По одной из теорий, аксионы могут превращаться в фотоны — частицы света — если поместить их в очень сильное магнитное поле. Поэтому для их обнаружения ученые создают специальные установки с мощными магнитами и чувствительными материалами, которые могут зафиксировать появление фотонов.
Существуют и методы косвенного обнаружения, при которых ученые ищут не сами частицы темной материи, а то, что остается после их распада или столкновений. Когда такие частицы сталкиваются и уничтожают друг друга (этот процесс называется аннигиляцией), они могут порождать другие частицы — например, нейтрино (почти невесомые и очень слабо взаимодействующие с веществом), гамма-лучи (высокоэнергетическое излучение) или даже частицы антиматерии. Эти сигналы могут приходить из центра Галактики, Солнца или других областей, где темной материи, как считают ученые, особенно много.
В криогенных детекторах используются сильно охлажденные кристаллы германия или кремния. Когда частица темной материи сталкивается с атомом в кристалле, может выделиться крошечное количество тепла или электрического заряда — сигнал, который можно зафиксировать при температурах, близких к абсолютному нулю.
Наконец, часть ученых делает ставку на акселераторные эксперименты — это эксперименты на огромных установках, таких как Большой адронный коллайдер, где частицы разгоняют до околосветовой скорости и сталкивают друг с другом. Здесь создаются условия для возможного рождения частиц темной материи в столкновениях с высокими энергиями. Такие события не наблюдаются напрямую, но фиксируются по исчезновению энергии или отклонению траекторий частиц.
Во всех этих подходах основная сложность остается неизменной: отделить крайне редкие сигналы от гораздо более частых фоновых процессов, включая радиоактивные распады, естественное излучение Земли и влияние космических частиц. Чтобы преодолеть эти трудности, ученые разрабатывают все более чувствительные и «тихие» установки, способные распознавать потенциальное присутствие темной материи среди тысяч обычных событий.
Ведущие проекты: что работает прямо сейчас
XENONnT: лидер чувствительности
XENONnT, расположенный в подземной лаборатории Гран-Сассо (Италия), является одним из самых чувствительных детекторов для поиска WIMP и легкой темной материи. Он использует 6 тонн жидкого ксенона, который при взаимодействии с частицами темной материи производит световые вспышки и ионизационные сигналы.
В 2023 году XENONnT установил самые строгие ограничения на взаимодействие легкой темной материи с электронами (с массой менее 0,03 кэВ), анализируя события с одним или двумя электронами. Эти данные были собраны за два коротких запуска в 2021 году, каждый продолжительностью около месяца. Хотя сигналов темной материи обнаружено не было, эксперимент значительно сузил диапазон возможных параметров для легких частиц.
XENONnT продолжает собирать данные, совершенствуя методы подавления фонового шума, такого как радиоактивность и космические лучи. Его успехи делают его лидером в гонке за прямым обнаружением, но отсутствие сигналов подчеркивает сложность задачи.
LUX-ZEPLIN: американский тяжеловес
LUX-ZEPLIN (LZ) — еще один мощный эксперимент по поиску темной материи, расположенный в подземной лаборатории Сэнфорд в США. Он использует 7 тонн жидкого ксенона, чтобы искать частицы темной материи, называемые WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы). LZ считается передовым, потому что является одним из самых чувствительных в мире для поиска тяжелых частиц (10–100 ГэВ) и конкурирует с XENONnT. Его поддерживают крупные научные центры США, что делает его важным игроком в этой области.
В 2023 году LZ установил новые ограничения на WIMP: он показал, что частицы с массами 10–100 ГэВ вряд ли существуют с определенными характеристиками, так как их не удалось поймать. Это помогло отбросить некоторые теории о темной материи. В 2024 году LZ продолжил собирать данные и улучшать методы анализа.
Пока темную материю не нашли, но LZ готовится к новым запускам в 2025 году, чтобы повысить шансы на открытие. LZ не только ищет темную материю, но и проверяет другие загадки физики. Его результаты помогают ученым понять, какие частицы не могут быть темной материей, и дают новые идеи для будущих экспериментов.
PandaX-4T: китайский прорыв в поиске темной материи
PandaX-4T — это эксперимент в Китайской подземной лаборатории Цзиньпин (CJPL), самой глубокой в мире, что защищает его от космических лучей. Он использует 3.7 тонны жидкого ксенона для поиска темной материи, такой как WIMP и легкие частицы. PandaX-4T считается прорывным, потому что сочетает высокую чувствительность с передовыми технологиями: его детектор улавливает свет и электрические сигналы от столкновений частиц, а системы очистки ксенона от примесей (например, радона и криптона) делают фон минимальным. Это позволяет искать сигналы, которые другие детекторы могут пропустить. Проект поддерживает команда из 40 ученых, включая ведущие университеты Китая.
В 2024 году PandaX-4T завершил анализ данных за 1.54 тонно-года (это мера, показывающая, сколько ксенона и времени использовалось). Они искали легкие частицы темной материи (с массами от 0.02 до 10 МэВ), которые могли получить энергию от Солнца и столкнуться с электронами в ксеноне. Частиц не нашли, но PandaX-4T установил самые строгие ограничения в мире для таких частиц: их взаимодействие с электронами оказалось слабее, чем считалось раньше, с рекордным пределом в 3.51×10⁻³⁹ см² при массе 0.08 МэВ.
Также в 2024 году PandaX-4T впервые зафиксировал сигналы от солнечных нейтрино (частиц от Солнца), что помогает понять, как они мешают поиску темной материи. В 2025 году проект продолжает собирать данные и улучшать детектор для поиска WIMP и других явлений, таких как нейтринолессный двойной бета-распад. Это гипотетический процесс, при котором два нейтрона внутри атомного ядра превращаются в два протона и испускают два электрона — но без нейтрино, в отличие от обычного двойного бета-распада. Его обнаружение могло бы доказать, что нейтрино и антинейтрино — это одна и та же частица, что стало бы серьезным открытием в физике частиц.
PandaX-4T — это китайский лидер в поиске темной материи, который конкурирует с XENONnT и LZ. Его результаты исключают некоторые модели легких частиц и помогают понять, как нейтрино влияют на эксперименты. Уникальная глубина лаборатории и чистота ксенона делают PandaX-4T одним из лучших в мире для поиска редких сигналов.
Почему пока никто не поймал темную материю
Несмотря на десятилетия поиска и впечатляющие технологические достижения, ученым до сих пор не удалось зафиксировать достоверный сигнал темной материи. Проблема в том, что если такие частицы, как WIMP или аксионы, действительно существуют, они взаимодействуют с обычной материей настолько слабо и редко, что даже самые чувствительные установки могут годами не зафиксировать ни одного события.
Даже глубоко под землей, в изолированных условиях, полностью избавиться от фонового шума не удается. Радиоактивный распад и космические лучи все равно проникают в установки, создавая сигналы, которые сложно отличить от возможного следа темной материи.
Ситуацию усложняет и то, что физики до конца не уверены, из чего именно состоит темная материя. Возможно, она вовсе не включает в себя WIMP или аксионы, а представляет собой частицы другой природы, для которых существующие методы просто неприменимы.
Кроме того, технологии, которые используются сегодня, уже достигли пределов чувствительности в некоторых диапазонах масс. Чтобы сделать следующий шаг, наука нуждается в новых материалах, принципах регистрации и более масштабных установках — возможно, даже в кардинально новом подходе к самой задаче.
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.