Независимые эксперименты окончательно опровергли утверждение об обнаружении тёмной материи на Земле

Около 27 процентов всей массы и энергии во Вселенной приходится на темную материю. Она не испускает света, не отражает его и не участвует в электромагнитном взаимодействии. Единственный способ, которым современные ученые могут зафиксировать ее присутствие — это гравитационное влияние на галактики. Однако физики предполагают, что темная материя состоит из реальных, хотя и пока неизвестных науке элементарных частиц. Поиск этих частиц идет по всему миру десятилетиями, но именно один конкретный эксперимент вызвал самый долгий и сложный конфликт в современной астрофизике.

Речь идет об установке DAMA/LIBRA, расположенной в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии. С конца 1990-х годов эта группа исследователей заявляла, что регулярно фиксирует сигналы от частиц темной материи. Заявление было беспрецедентным, но проблема заключалась в том, что ни один другой детектор в мире этот результат не подтверждал. Потребовалось 25 лет и усилия двух международных научных объединений, чтобы экспериментально доказать ошибочность итальянских данных и закрыть эту физическую аномалию.

Механика годовой модуляции

Согласно наиболее распространенной научной модели, наша Галактика окружена огромным облаком, или гало, состоящим из гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц — вимпов.

Вся Солнечная система движется сквозь это облако темной материи со скоростью около 220 километров в секунду. Одновременно с этим Земля вращается вокруг Солнца со скоростью около 30 километров в секунду. Из-за этого сложения скоростей возникает эффект, который ученые называют «годовой модуляцией».

В начале июня орбитальное движение Земли совпадает с направлением движения Солнечной системы. В этот момент наша планета движется сквозь гало темной материи с максимальной скоростью. Следовательно, детекторы на Земле должны фиксировать максимальное количество столкновений вимпов с ядрами атомов в мишенях. В декабре Земля движется в обратном направлении, общая скорость относительно гало падает, и количество столкновений должно снижаться.

График этих столкновений должен выглядеть как идеальная синусоида: пик летом, спад зимой. Именно такой график год за годом публиковала группа DAMA/LIBRA. Сигнал был четким, статистически значимым и полностью совпадал с теоретическими ожиданиями.

Проблема материала: почему им нельзя было просто не поверить

Почему научное сообщество просто не отвергло эти данные, если другие лаборатории ничего не видели? Причина кроется в конструкции детекторов.

Большинство современных и наиболее чувствительных экспериментов по поиску темной материи используют в качестве мишени переохлажденный жидкий ксенон или кристаллы кремния. Когда гипотетическая частица темной материи сталкивается с ядром атома ксенона, детектор регистрирует крошечную вспышку света. И эти приборы стабильно показывали нулевой результат.

Однако детектор DAMA/LIBRA был построен на основе другого материала. Они использовали кристаллы йодида натрия, легированные таллием — химическая формула NaI(Tl). Итальянские исследователи выдвинули логичный аргумент: возможно, частицы темной материи обладают специфическими свойствами. Из-за разницы в массе атомных ядер или особенностях физических взаимодействий, вимпы могут сталкиваться с ядрами натрия или йода, но при этом беспрепятственно проходить сквозь ксенон.

Доказать обратное с помощью теоретических вычислений было невозможно. В физике элементарных частиц существует правило: чтобы гарантированно опровергнуть результаты эксперимента, нужно провести точно такой же эксперимент, с теми же материалами, но с более строгим контролем условий.

Двойная проверка: проекты COSINE-100 и ANAIS-112

Для решения этой задачи были запущены два независимых проекта. В Южной Корее глубоко в горах начала работу установка COSINE-100 (под 700-метровой толщей скалы). В Испании, в подземной лаборатории Канфранк, запустили проект ANAIS-112 (скрытый под 2450 метрами горной породы).

Обе группы закупили специальный порошок у того же американского производителя, с которым работала DAMA/LIBRA, и вырастили собственные массивы кристаллов йодида натрия. Главная цель заключалась в создании оборудования, которое по своим физическим характеристикам было бы идентично итальянскому, чтобы исключить любые споры о свойствах мишени.

Размещение глубоко под землей — обязательное условие для таких экспериментов. Толща скалы работает как фильтр, отсекающий космическое излучение, которое бомбардирует поверхность планеты и создает постоянный радиационный шум. Дополнительно вокруг детекторов возвели массивную защиту. Например, корейская установка окружена свинцом, медью и резервуарами с 2200 литрами жидкого сцинтиллятора — специального вещества, которое светится при прохождении случайных фоновых частиц, давая электронике сигнал проигнорировать это событие.

Борьба с внутренним радиационным шумом

Но главная проблема при работе с йодидом натрия скрыта внутри самого материала. Любые выращенные кристаллы неизбежно содержат микроскопические следы радиоактивных изотопов: свинца-210, трития, калия-40.

Эти элементы нестабильны. Они постоянно распадаются прямо внутри детектора, создавая свой собственный фоновый шум. Более того, интенсивность этого фона может меняться со временем, что при недостаточно строгом анализе может имитировать ту самую годовую модуляцию, которую физики ищут от темной материи.

Исследовательским группам потребовались годы работы, чтобы создать предельно точные математические модели того, как именно ведут себя радиоактивные примеси внутри их конкретных кристаллов. Каждое случайное срабатывание прибора нужно было проанализировать и вычесть из общего массива данных. Только после того, как физики полностью исключили влияние внутреннего распада изотопов, они смогли посмотреть на то, что осталось — на чистый сигнал.

Математический вердикт и закрытие проблемы

В новой совместной работе команды COSINE-100 и ANAIS-112 объединили массивы данных за первые три года непрерывных наблюдений и дополнили их новыми предварительными данными за шесть лет работы.

Чтобы исключить любые обвинения в предвзятости или ошибках расчетов, физики применили к одним и тем же данным два фундаментально разных статистических подхода. Они использовали как байесовский метод (основанный на вероятностях и алгоритмах Марковских цепей Монте-Карло), так и более традиционный фреквентистский метод (метод наименьших квадратов). Оба математических инструмента выдали абсолютно идентичный результат.

График данных, очищенных от фонового шума, представляет собой прямую горизонтальную линию. Детекторы в Испании и Южной Корее не зафиксировали никакого летнего всплеска столкновений и никакого зимнего спада.

Анализ определил амплитуду модуляции на уровне 0.0005+-0.0019 отсчетов. В статистике это значение полностью совместимо с нулем. В то же время результаты новых детекторов расходятся с заявлениями итальянской группы DAMA/LIBRA на уровень 4.7σ. В стандартах физики элементарных частиц такое отклонение означает, что вероятность совпадения результатов стремится к нулю. Итальянский сигнал не подтвердился в идентичных условиях.

Значение для науки

Публикация этого совместного анализа имеет огромное значение для всей физики высоких энергий. Двадцать пять лет теоретикам приходилось тратить время и ресурсы на разработку невероятно сложных, экзотических моделей строения Вселенной. Им приходилось придумывать специальные параметры взаимодействия частиц, чтобы хоть как-то объяснить, почему один детектор из йодида натрия в Италии видит темную материю, а все остальные детекторы в мире — нет.

Теперь в этих усложнениях нет необходимости. Эксперимент доказал, что сигнал DAMA/LIBRA не был связан с частицами из космоса. Вероятнее всего, итальянские детекторы фиксировали тонкие сезонные изменения на самой Земле. Это могли быть годовые колебания температуры внутри лаборатории, сезонные изменения потоков грунтовых вод в горе Гран-Сассо или зимне-летние циклы плотности атмосферы, влияющие на проникновение обычных космических лучей.

Мы по-прежнему не зафиксировали частицы темной материи. Однако отрицательный результат в науке часто не менее важен, чем положительный. Поставив точку в споре вокруг йодида натрия, исследователи устранили главное противоречие последних десятилетий. Это позволяет научному сообществу окончательно закрыть ложное направление и сосредоточить финансовые и интеллектуальные ресурсы на новых технологиях обнаружения темной материи.

Источник:arXiv