Открытие физиков из Сибири ускорит поиски тяжелой темной материи

МОСКВА, 22 ноя — РИА Новости. Ученые из Института ядерной физики СО РАН выяснили, как можно упростить и улучшить работу детекторов темной материи. Для этого они изучили влияние темной материи на взаимодействие электронов и нейтральных атомов в детекторах. Выводы физиков представлены в журнале Astroparticle Physics.

"Изнанка" Вселенной

Довольно долго считалось, что Вселенная состоит из видимой материи, которая составляет основу всех звезд, черных дыр, туманностей, скоплений пыли и планет. Но первые наблюдения за движением звезд на окраинах ближайших галактик показали, что они движутся с невозможно высокой скоростью — в десять раз выше, чем предполагали расчеты.

Причиной этого ученые считают так называемую темную материю — загадочную субстанцию, на долю которой приходится примерно 75 процентов от массы материи во Вселенной. Как правило, в каждой галактике примерно в восемь-десять раз больше темной материи, чем видимой, и эта темная материя удерживает звезды на месте и не дает им разбежаться.

Сегодня почти все ученые уверены в существовании темной материи, однако ее свойства, помимо очевидного гравитационного влияния на галактики и их скопления, остаются предметом споров. Некоторое время предполагалось, что темная материя сложена из сверхтяжелых и холодных частиц — вимпов, никак не проявляющих себя, кроме как притягивая видимые скопления материи.

Ученые пытаются найти такие частицы при помощи гигантских подземных детекторов, заполненных абсолютно чистым ксеноном. Ядра атомов этого газа, как считалось раньше, должны взаимодействовать с вимпами особым образом, что можно обнаружить, наблюдая за вспышками света в сжиженном ксеноне.

За последние два десятилетия появилось около дюжины таких детекторов, которые становились все больше, но ни один из них не смог зафиксировать следы взаимодействий ксенона с вимпами. 

Скрытый свет

Шемякина и ее коллеги много лет работают со своей версией детектора темной материи. В нем главным рабочим веществом выступает другой благородный газ — аргон. Как и в случае с ксеноновыми детекторами, ученые наблюдают за вспышками света, которые должны возникать в емкости, заполненной аргоном, в результате столкновений его атомов с вимпами.

Как раньше считали физики, эти световые сигналы должны возникать в результате взаимодействий электронов, выдернутых темной материей из атомов, с ионами в окружающей среде. В результате носитель отрицательного заряда начинает тормозить, вырабатывая пучки ультрафиолета. 

По словам Шемякиной, подобное излучение довольно трудно уловить, поэтому российские физики уже давно пытаются создать такую ситуацию, чтобы оно возникало в видимой или инфракрасной части электромагнитного спектра, с которыми гораздо проще работать. Для этого в аргон добавляли примеси или, наоборот, очищали его от всех следов инородных веществ.

Эти усилия привели к неожиданному результату: оказалось, что детектор сам по себе вырабатывал видимые импульсы тормозного излучения, хотя это не предсказывалось теорией. Детально изучив этот процесс, российские физики открыли новую форму этого света, вырабатываемую не заряженными, а нейтральными атомами.

"Последние тридцать лет об этом эффекте никто ничего не писал. Тормозное излучение на нейтральных атомах было забыто по причине, что вторичные сцинтилляции полностью объясняли механизмами, основанными на прямом возбуждении атомов благородного газа электронами. Его существование позволило нам упростить и удешевить наш прототип детектора для поиска темной материи", — заключает Шемякина.