Научный взгляд на устройство вселенной

ГОСТИ 
С ТЕМНОЙ 
СТОРОНЫ 471
щем, фоновых электромагнитных событий в детекторе происходит 
в 1000 раз больше, чем предсказанных сигнальных событий, даже 
при достаточно оптимистичных предположениях о массе и силе 
взаимодействия частиц темной материи.
Так что главное занятие экспериментаторов, занятых поиском 
темной материи, — 
экранирование и дискриминация
. (Это астро-
физический термин. В физике элементарных частиц это называют 
более наукообразно — 
идентификация частиц,
хотя я не уверена, 
что в наши дни это звучит намного лучше.) Экспериментаторы 
стремятся как можно лучше экранировать свое устройство, чтобы 
отсечь излучение и отличить потенциальные события, связанные 
с темным веществом, от совершенно неинтересного радиацион-
ного рассеяния в детекторе. Отчасти экранирование обеспечива-
ется тем, что подобные установки размещают в шахтах глубоко 
под землей. Идея в том, что космические лучи, прежде чем до-
браться до детектора, имеют хорошие шансы взаимодействовать 
с чем-нибудь в грунте. С другой стороны, темная материя, которая 
взаимодействует гораздо менее охотно, доберется до детектора 
без помех.
К счастью для ученых, шахт и тоннелей существует вполне до-
статочно. Эксперимент DAMA, а также эксперименты под назва-
ниями XENON10, XENON100 (более крупная версия) и CRESST (де-
тектор с использованием вольфрама) проводятся в лаборатории 
GranSasso, расположенной в Италии в тоннеле на глубине около 
3000 м под землей. Другую установку на базе ксенона, получив-
шую название LUX, предполагается разместить на глубине 1500 м 
в бывшей золотоносной шахте Хоумстейк в штате Южная Дакота. 
Этот эксперимент пройдет в той самой пещере, где Рэй Дэвис от-
крыл нейтрино, возникающие в ходе ядерных реакций в глуби-
нах Солнца. Эксперимент CDMS располагается в суданской шахте 
на глубине около 750 м.
И все же многих сотен метров грунта над шахтами и тоннеля-
ми недостаточно, чтобы гарантировать отсутствие лишнего излу-
чения вокруг детектора. Ученым приходится дополнительно экра-
нировать свои установки различными способами. Детектор CDMS 
заключен в кожух из полиэтилена, который светится при попа-

472 МАСШТАБИРОВАНИЕ 
ВСЕЛЕННОЙ
дании в него извне чего-то более активно взаимодействующего, 
чем темная материя. Еще интереснее кожух из свинца, взятого 
с затонувшего в XVIII в. французского галеона. У старого свинца, 
пролежавшего несколько столетий в воде, было достаточно вре-
мени, чтобы избавиться от собственной радиоактивности. Это 
плотный поглотитель, идеальный для экранирования детектора 
от внешнего излучения.
Несмотря на все меры предосторожности и барьеры, до детек-
торов добирается немало квантов электромагнитного излучения. 
Чтобы отличить это излучение от потенциальных кандидатов 
на роль темной материи, требуется дальнейшая дискриминация. 
Взаимодействия частиц темной материи напоминают ядерные ре-
акции, возникающие при попадании нейтрона в мишень. Поэтому 
напротив регистратора фононов располагается более традицион-
ный детектор элементарных частиц, который измеряет иониза-
цию, возникающую при пролете предполагаемой частицы темной 
материи сквозь германий или кремний. Вместе два измеренных 
параметра (ионизация и энергия фонона) позволяют отличить 
ядерные процессы — подходящие события, которые могут указы-
вать на присутствие темной материи — от событий, вызванных 
электронами и представляющих собой результат действия радио-
активности.
Среди других интересных особенностей установки CDMS — точ-
ное определение координат и времени события. Непосредственно 
его координаты определяются только в двух направлениях, но мо-
мент прохождения фононов дает положение и по третьей коорди-
нате. Так что экспериментаторы могут точно определить, где про-
изошло событие, и исключить фоновые события на поверхности. 
Еще одна особенность — то, что установка сегментирована на от-
дельные стопки детекторов размером с хоккейную шайбу. Истинное 
событие произойдет лишь в одном из этих детекторов, излучение же 
от местного источника может затронуть несколько детекторов сра-
зу. Все это дает CDMS и следующей, еще лучше проработанной уста-
новке, неплохие шансы обнаружить темную материю.
Тем не менее, как бы впечатляюще ни выглядел эксперимент 
CDMS, он вовсе не является единственным детектором темной ма-

ГОСТИ 
С ТЕМНОЙ 
СТОРОНЫ 473
терии, да и криогенные устройства — не единственный тип таких 
детекторов. Через несколько дней после лекции Гарри о своих экс-
периментах XENON10 и XENON100, а также о других эксперимен-
тах с благородными жидкостями рассказала и Елена Априль, одна 
из пионеров работы с ксеноном. Поскольку вскоре эти установки 
должны стать самыми чувствительными детекторами темной ма-
терии, аудитория слушала очень внимательно.
В ксеноновых установках события, связанные с темным ве-
ществом, регистрируются за счет сцинтилляций. Жидкий ксенон 
представляет собой плотную гомогенную жидкость, обладает 
высокой атомной массой (что повышает вероятность взаимодей-
ствия с темным веществом), хорошо вспыхивает, легко ионизу-
ется при получении энергии, так что описанные выше два типа 
сигналов можно эффективно отличать от электромагнитных со-
бытий, и к тому же относительно дешев по сравнению с други-
ми пригодными для этой цели материалами (хотя за десять лет 
его цена увеличилась вшестеро). Эксперименты подобного типа 
с благородными газами стали намного масштабнее и эффектив-
нее, к тому же их возможности далеко не исчерпаны. Когда веще-
ства больше, вероятность желаемого события выше; кроме того, 
при помощи внешней части детектора можно более эффективно 
экранировать его внутреннюю часть, что помогает обеспечить 
значимость результата.
Измерив ионизацию и мощность первоначальной вспышки, 
экспериментаторы получают возможность отсечь фоновое из-
лучение. В эксперименте XENON100 для измерения осцилляций 
используются особые фототрубки, созданные для работы в низко-
температурной среде детектора под высоким давлением. Аргоно-
вые детекторы в будущем могли бы обеспечить еще более точную 
информацию о сцинтилляциях, поскольку в них устанавливается 
точная форма вспышки как функция времени, и это также помо-
жет в дальнейшем отделить зерна от плевел.
Сегодня дело обстоит довольно странным образом (хотя по-
ложение может измениться в самом ближайшем будущем): дело 
в том, что один из сцинтилляционных экспериментов — DAMA 
в лаборатории Gran Sasso в Италии — зарегистрировал сигнал. 

474 МАСШТАБИРОВАНИЕ 
ВСЕЛЕННОЙ
В приборе DAMA, в отличие от описанных только что эксперимен-
тов, не предусмотрено внутреннего различения сигнала и фона. 
Считается, что сигнал от событий с участием темной материи 
можно распознать исключительно по его временно й форме, если 
применить для этого характерную зависимость, связанную с дви-
жением Земли по околосолнечной орбите.
Скорость прилетающих извне частиц темной материи имеет 
значение, потому что именно от нее зависит, сколько энергии 
выделится в детекторе. Если энергия слишком мала, экспери-
мент окажется не очень чувствительным и может просто не за-
метить появления частицы. Если энергия выше, вероятность того, 
что установка зарегистрирует событие, также повышается. Из-
за движения Земли по орбите скорость темной материи по отно-
шению к нам (а следовательно, и энергия, переданная детектору) 
зависит от времени года, и в некоторые сезоны (летом) сигнал 
увидеть проще, чем в другие (зимой). Эксперимент DAMA ищет 
регулярные сезонные колебания в частоте событий, которые со-
гласуются с прогнозами, и его данные говорят о том, что такой 
сигнал обнаружен (на рис. 79 показаны данные DAMA).
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
-0.02
-0.04
-0.06
-00.8
500
1000
1500
2000
2500
3000
1350
1400
1450
DAMA/NaI 
Невязки (отсчетов/кг/кэВ)
Время (в сутках)
DAMA/LIBRA
РИС
. 79.
Данные эксперимента DAMA показывают модуляцию сиг-
нала во времени
Никто пока не может сказать наверняка, является ли сигнал DAMA 
признаком темной материи или объясняется каким-то непонимани-
ем работы детектора или недооценкой внешних влияний. Ученые 
настроены скептически, потому что ни один из остальных экспери-

ГОСТИ 
С ТЕМНОЙ 
СТОРОНЫ 475
ментов пока ничего не обнаружил. Отсутствие подтверждений плохо 
согласуется с прогнозами большинства моделей скрытой массы.
Пока ничего не понятно, но именно такого рода вещи делают 
науку интересной. Результат заставляет задуматься о том, что скры-
тую массу могут составлять несколько различных типов вещества; 
кроме того, темная материя может обладать какими-то свойствами, 
которые облегчают ее обнаружение именно в эксперименте DAMA*. 
Такие результаты заставляют нас лучше изучать собственные уста-
новки и разбираться во всех их особенностях, только тогда мы смо-
жем отфильтровать случайные сигналы и сказать, что данные экспе-
римента означают именно то, что утверждают экспериментаторы.
Ученые по всему миру работают над повышением чувстви-
тельности своих установок, чтобы можно было либо исключить, 
либо подтвердить открытие темной материи детектором DAMA. 
А может быть, им удастся независимо открыть другой тип темной 
материи. Все согласились бы с тем, что темная материя наконец 
открыта, если бы хотя бы один эксперимент подтвердил данные 
DAMA, но пока ничего подобного не произошло. Тем не менее есть 
шанс, что ответы на эти вопросы будут получены в самом бли-
жайшем будущем. Даже если к моменту, когда вы будете читать 
эту книгу, изложенные выше результаты уже устареют, характер 
и методики экспериментов по-прежнему будут актуальны.
КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОИСКА ТЕМНОЙ МАТЕРИИ
Эксперименты на БАКе и наземных криогенных детекторах 
или на ксеноне и аргоне — два способа определить природу тем-
ной материи. Третий и последний способ — определить ее путем 

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: