Слон во Вселенной. 100 лет в поисках темной материи - Говерт Шиллинг

со значительно меньшей скоростью, чуть меньше 30 км/с, и как раз в июне эти две скорости более или менее складываются, результатом чего является бо́льшая скорость обдувающего землян «ветра» из темной материи. Как следствие, частота актов взаимодействия темной материи в земном детекторе должна быть в это время немного больше средней. В начале декабря Земля движется в противоположном направлении, и частота актов взаимодействия должна быть меньше.

Если коротко, то группа DAMA утверждает, что наблюдает эту сезонную вариацию в получаемых ими данных, но никто больше не считает их результат убедительным доказательством обнаружения темной материи – в первую очередь из-за отсутствия независимого подтверждения заявленной вариации в других экспериментах. Да и скрытность не добавляет им доверия.

Попытки прямого обнаружения частиц темной материи начали предприниматься только в середине 1980-х годов, после того как постдок Гарвардского университета Кэтрин Фриз встретила на конференции в Иерусалиме польского физика Анджея Дрюкера, который занимался методами регистрации солнечных нейтрино. Физикам пришла в голову мысль, что похожим образом можно обнаружить вимпы – самых популярных кандидатов на роль темной материи2.

Вимпы в галактическом гало время от времени вступают в слабое взаимодействие с атомными ядрами, и на основе нескольких предположений о свойствах вимпов нетрудно рассчитать ожидаемую частоту событий для разных потенциальных частиц холодной темной материи. Совместно с Дэвидом Сперджелом – в то время студентом магистратуры в Гарвардском университете – Дрюкер и Фриз выполнили соответствующие вычисления для фотино и нейтралино (частиц, предсказанных описанной в главе 10 теорией суперсимметрии), а также для гипотетических частиц с прикольными названиями вроде технибарионов, космионов, фамилонов и зеркальной материи.

Трио физиков-теоретиков написали в статье, опубликованной в июньском номере журнала Physical Review D в 1986 году: «Если недостающая масса в нашей Галактике состоит из массивных частиц, вступающих в [слабое взаимодействие], то эти частицы можно обнаружить с помощью перегретых сверхпроводящих коллоидных детекторов (superheated superconducting colloid detectors, SSCD)»3. Это было уверенное предсказание с четкими целями, и экспериментаторы приняли вызов.

Например, в Калифорнии Бернар Садуле, Дэвид Колдуэлл и Блас Кабрера приступили к реализации проекта CDMS, используя на начальном этапе в качестве материала мишени кристаллы германия4. Первые результаты были опубликованы в 1988 году. Группе не удалось обнаружить темную материю, но этот нулевой результат исключил некоторых наиболее экзотических кандидатов и позволил получить важные оценки верхних пределов для характеристик взаимодействий вимпов.

Проект CDMS фактически стартовал в 1990-х годах после того, как Садуле основал Центр астрофизики элементарных частиц в Беркли – именно там в 1995-м стал работать Ричард Гейтскелл. Группа методично строила все более крупные детекторы на основе кристаллов германия и кремния и в конце концов в 2003 году разместила установку CDMS II в заброшенном железном руднике Судан в штате Миннесота.

К этому времени в гонку за темной материей вступили многие другие группы, использовавшие аналогичные технологии. Здесь стоит упомянуть эксперимент EDELWEISS на основе кристаллов германия – этот детектор был на рубеже веков установлен в подземной лаборатории Модан в автомобильном тоннеле Фрежюс, проходящим под франко-итальянской границей5. А как мы уже знаем из предыдущей главы, для такого рода экспериментов использовались не только криогенные кристаллы, но также и жидкие благородные газы.

После статьи Дрюкера, Фриз и Сперджела в Physics Review D все кому не лень бросились создавать программы по поиску темной материи, и во второй половине 1990-х годов возникло ощущение, что загадка будет решена за пару лет.

В своей обстоятельной статье 1986 года авторы предсказали не просто ожидаемую частоту взаимодействий вимпов, но также и то, что сила «ветра темной материи» должна меняться в зависимости от времени года. «Движение Земли вокруг Солнца должно вызывать четко выраженную модуляцию сигнала зарегистрированных кандидатов частиц гало. Эта модуляция будет заметна для любого детектора темной материи с разумным разрешением по энергии… такого рода модуляция сигнала станет дополнительным подтверждением [реальности] обнаружения».

И вот тут как раз стоит вспомнить эксперимент DAMA Риты Бернабеи6.

Руководитель проекта «Криогенный поиск темной материи» (Cryogenic Dark Matter Search) Дэн Бауэр извлекает детекторы на основе кристаллов германия и кремния из установки CDMS II в железном руднике Судан в штате Миннесота

Бернабеи родилась в 1949 году и с 1986-го работала в Римском университете Тор Вергата. Она основала проект DAMA вместе со своим младшим коллегой Пьерлуиджи Белли в начале 1990-х годов, сразу же после запуска проекта CDMS. Но в отличие от детекторов CDMS, в которых использовался германий и кремний, в составе итальянской установки было девять 10-килограммовых сцинтилляционных детекторов с материалом мишени в виде йодида кремния с примесью сверхчистого таллия, известного как NaI(Tl). Установка DAMA/NaI была защищена от помех, вызванных естественной радиоактивностью окружающих горных пород, 10-сантиметровым слоем меди, 15-метровым слоем свинца и метровым слоем бетона, и размещена в лаборатории Гран-Сассо вне досягаемости большинства видов космических лучей.

Первое сообщение о предварительных результатах проекта DAMA в сентябре 1997 года стало сенсацией. На Первой Международной конференции по физике элементарных частиц и ранней Вселенной в Амблсайде, в живописном Озерном крае в Северной Англии, Бернабеи и Белли с коллегами заявили об обнаружении в полученных ими данных признаков сезонной модуляции7. Хотя анализ опирался на данные, которые охватывали лишь 10 суток летних и около четырех недель зимних наблюдений, было похоже, что количество зарегистрированных установкой DAMA событий летом было немного больше, а зимой – немного меньше, как и следовало ожидать в случае реального «вимпового» сигнала.

Вы, наверное, думаете, что физики и космологи обеими руками ухватились за полученный в проекте DAMA результат. В конце концов, ученые уже несколько десятилетий бились над загадкой темной материи, и поэтому любой намек на ее прямое обнаружение, пусть даже незначительный, должен был стать поводом для ликования и торжества. Но участники конференции встретили сообщение скептически. Какую долю наблюдавшихся установкой DAMA сцинтилляционных вспышек можно отнести на счет вимпов? Какова статистическая значимость результата? Нельзя ли для наблюдаемого эффекта найти менее экзотическое объяснение? А не могли бы вы представить исходные необработанные данные, чтобы мы могли их сами проанализировать?

Не стоит удивляться такому отсутствию энтузиазма и сожалеть по поводу, на первый взгляд, враждебного отношения научного сообщества к результатам DAMA – так устроена наука. Вы не можете принять результат на веру просто потому, что он вам нравится. Каждое заявление такого рода нуждается в тщательной проверке. И ничто ничего не значит в отсутствие независимой проверки. Даже сами члены группы DAMA, публикуя в 1998 году свои первые результаты, старались