Охота на темную материю – внутри Земли

Ответ на загадку темной материи может быть под нашими ногами.

Темная материя – это гипотетический компонент нашей вселенной, используемый для объяснения многих странных поведений звезд и галактик. Составляет порядка четверти массы-энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии.

Несмотря на почти неопровержимые доказательства того, что темная материя действительно существует, мы до сих пор не знаем, из чего она состоит. Детекторы, разбросанные по всему миру, работают десятилетиями, пытаясь уловить слабый след проходящей частицы темной материи, но безрезультатно. Новая статья предлагает альтернативный подход: копать глубже.

Мы знаем, что темная материя существует благодаря различным астрономическим наблюдениям. Звезды вращаются вокруг центров своих галактик слишком быстро. Галактики слишком быстро кружатся внутри скоплений. Массивные структуры во вселенной появляются слишком рано.

Есть какая-то форма материи, которая совершенно невидима для нас. Чем бы ни была темная материя, это новый тип частиц, которые не взаимодействуют со светом, а это значит, что они не излучают, не поглощают, не отражают и не преломляют электромагнитное излучение. Это означает, что мы не можем видеть ее, это делает ее темной.

До сих пор мы знаем, что темная материя существует только через гравитацию. Несмотря на свойство невидимости, темная материя имеет массу, что означает, что она может тянуть и формировать самые большие объекты во вселенной, раскрывая свое присутствие посредством движения более ярких звезд и галактик.

Темная материя иногда взаимодействует с нормальной материей через слабую ядерную силу. Но, как следует из названия, слабая ядерная сила не самая сильная, и у нее очень короткий радиус действия, что делает эти взаимодействия невероятно редкими.

Похороненные подсказки

Но «редко» не значит «никогда». Считается, что миллиарды – даже триллионы – частиц темной материи плавают в вас прямо сейчас. Но поскольку темная материя едва ли взаимодействует с нормальной материей, и наоборот, вы просто не чувствуете этого. Вы должны выйти на большие масштабы, прежде чем вы начнете видеть ее гравитационные эффекты.

Тем не менее, редко (точно насколько редко еще неизвестно), частица темной материи взаимодействует с частицей нормальной материи через слабую ядерную силу. Это включает в себя передачу энергии (то есть, частица темной материи пинает нормальную частицу), отправляя в полет нормальную материю, что-то, что мы можем, по крайней мере, в принципе, обнаружить.

Но так как это так редко и так слабо, наши попытки обнаружения не оказались плодотворными. Нам нужны большие детекторы, которые занимают большой объем (поскольку взаимодействия настолько редки, что нужно либо построить гигантский детектор, либо ждать сотни лет, чтобы стать счастливчиком). Более того, мы должны закопать эти детекторы глубоко под землей, на 2 километра ниже поверхности. Это потому, что происходит много субатомных неприятностей: другие высокоэнергетические частицы, такие как нейтрино и космические лучи, вызывают похожие удары, и нам нужно использовать много камней, чтобы поглотить их, прежде чем они попадут в детектор, гарантируя, что если мы это сделаем увидеть сигнал, это, скорее всего, вызвано темной материей.

Ископаемые доказательства

Существует предел того, насколько большим мы можем сделать детектор темной материи, основываясь исключительно на технических и финансовых ограничениях. Но, к счастью, согласно новой статье, недавно появившейся на сайте онлайн-препринта arXiv, существует гигантский детектор темной материи, который собирает данные миллионы лет. 

И он прямо у нас под ногами.

Кора Земли сама по себе служит массивным детектором темной материи. Когда частицы беспризорной темной материи взаимодействуют с нормальной материей внутри породы, протон или нейтрон могут разболтаться, изменяя химический состав породы вблизи места удара. Это может даже привести к тому, что частица полетит, оставив после себя микроскопический рубец.

Более того, ископаемые имеют доступ к участкам земной коры, находящимся более чем в два раза глубже, чем наши современные детекторы темной материи, что предполагает многообещающие результаты. И поскольку камни остаются камнями в течение миллионов и даже сотен миллионов лет, они все это время регистрировали взаимодействия темной материи, гораздо дольше, чем мы когда-либо надеялись получить в течение жизни наших экспериментов.

Так что все довольно просто: выкопайте кучу камней (желательно что-то чистое, чтобы их было легко проанализировать) и осмотрите их микроскопической расческой с мелкими зубьями, чтобы найти признаки субатомного насилия.

Однако есть одна проблема. Земные породы, естественно, содержат некоторые радиоактивные элементы, чьи распады вызывают схожие свойства. Чтобы решить эту проблему, исследователи предлагают копаться в океанической коре, которая намного более чиста, чем материал из которого сделаны континенты. Имея это в виду, исследователи предсказывают, что мы могли бы иметь супер-детектор в пределах легкой досягаемости: даже килограмм камня победил бы чувствительность лучших современных детекторов в мире.