Фізики створили досконалі теорії, що описують поведінку атомів та елементарних частинок. Проте видима матерія становить не більше 4% усієї субстанції, що наповнює Всесвіт. Решта поділена між темною енергією - силою, яка змушує Всесвіт розширюватися, - і темною матерією - примарною речовиною, яка необхідна, аби пояснити рух зір та галактик. Обидві субстанції є об’єктом прискіпливого дослідження і про обидві відомо надзвичайно мало.
Видима матерія становить лише 4% субстанції, що наповнює Всесвіт (з неї 0,4% припадає на зорі та 3,6% на міжгалактичний газ). Решта поділена між загадковою темною матерією (22%) та темною енергією (74%).
30 жовтня команда науковців, яка здійснює експеримент LUX (Large Underground Xenon), що полягає у виявленні часток темної матерії за допомогою детектора на основі рідкого ксенону у підземній шахті на глибині 1500 м, оголосила про результати дослідження: нічого. Це здивувало науковий світ, адже суперечить результатам попередніх експериментів, які вже виявляти щось схоже на частки темної матерії. А LUX – найчутливіший її детектор в світі.
Історія дослідження темної матерії розпочинається у 1933 р., коли швейцарський астрофізик Фріц Цвіккі відкрив непоясненний факт: галактики, за якими він спостерігав, рухалися не так, як слід було очікувати від гравітаційного притягання своїх сусідів. Це навело його на думку, що на космічні тіла діють ще інші сили, крім тих, які можна побачити у телескоп.
Відтоді науковці накопичили ще цілу низку додаткових даних – від маршрутів обертання галактик до світіння радіаційного фону, що залишився після Великого вибуху, й викривлення світлових променів, які мандрують космосом, під дією невідомих сил. Жоден із цих ефектів неможливо пояснити інакше, як на основі невидимої маси, якої мало би бути вп’ятеро більше, ніж видимої матерії.
Найвірогіднішими кандидатами, щоб бути частками темної матерії є т. зв. вімпи (від англ. Weakly Interacting Massive Particle, «Слабко взаємодіючі масивні частинки»), які беруть участь лише у двох з чотирьох видів фундаментальних взаємодій у Всесвіті. Вімпи відчувають слабку ядерну силу, яка бере участь у розпаді елементарних частинок, та гравітацію, проте вони інертні до електромагнітного поля та сильної ядерної взаємодії, яка утримує нуклони в ядрі. Нечутливість до двох останніх типів взаємодії робить вімпи примарними частинками, які майже не піддаються детектуванню.
В експерименті LUX фізики використали циліндр з 368 кг зрідженого ксенону, який помістили у ємність з водою об’ємом 270 тисяч літрів. Якщо вімпи існують, величезна їх кількість мала би пролітати кожну секунду крізь ксенон. Вдаряючись об ядра атомів ксенону, вімпи мали би брати участь у слабкій ядерній взаємодії, яка б змушувала рикошетити їх в сторону. При цьому атом ксенону випускав би світловий імпульс, який би тут же засікли чутливі фотоелектронні помножувачі. Басейн з водою та розташування глибоко під землею мало обмежити доступ до ксенонового детектора космічних променів, сонячної радіації та будь-якого іншого випромінювання, яке могло б викликати хибну тривогу.
Схема будови детектора часток темної матерії LUX.
Той факт, що LUX не вдалося виявити нічого важливого, важливий, адже він розходиться з попередніми даними. Впродовж кількох останніх років низка інших експериментів вже фіксувала ознаки частинок, за якими полює LUX. Зокрема, у квітні цього року керівники експерименту «Кріогенний пошук темної матерії» (CDMS, Cryogenic Dark Matter Search), який проводився у залізній шахті в штаті Міннесота, повідомили про те, що з вірогідністю 99,8% зафіксували три вімпи. За словами Денієла МакКінсі, фізика з Єльського університету, який є речником експерименту LUX, якщо експериментатори CDMS зробили все вірно, то LUX мав би вловити, як мінімум, 1500 вімпів лише за три місяці своєї роботи.
Якби вімпи знайшли, у науковому світі було б більше сенсації, проте навіть негативний результат також дуже важливий. За словами Кетрін Мек, космолога з Університету Мельбурна, потенційно існує кілька видів вімпів з різними масами та ступенями взаємодії з матерією. Рік Ґейтскел, головний науковець проекту LUX додає, що впродовж двох десятиліть спостережень науковці не вичерпали й половини теоретичних можливостей зафіксувати ці примарні частинки.
Досі спроби доказати існування часток темної матерії не увінчалися успіхом. Проте кожна невдача – це також своєрідний успіх, адже, відкидаючи хибні гіпотези, вона звужує концептуальний простір, в якому можуть існувати вімпи, й тим самим збільшує шанси, що рано чи пізно їх таки знайдуть. Проте навіть якщо усі можливі спроби закінчаться невдачею, це відриє ще більш вражаючий факт. Адже в такому разі природа невідомої сили, яка зміщує траєкторію обертання галактик та викривлює світлові промені, виявиться ще загадковішою, ніж вважалося.
10.11.2013