10 января 2017

Физики окончательно опровергли открытие следов "тяжелой" темной материи

Повторная проверка результатов эксперимента DAMA/LIBRE опровергла открытие следов сверхтяжелой темной материи, об обнаружении которой итальянские ученые заявляли в 2011 году, говорится в статье, опубликованной в электронной библиотеке arXiv.org

"Темную материю пытаются безуспешно найти десятки детекторов, однако ученые, работающие с одним из них, DAMA/LIBRA, уже более 10 лет утверждают, что они фиксируют сигнал, порождаемый столкновениями частиц темной материи с их устройством. После них было с десяток более точных экспериментов, авторы которых утверждали, что ничего такого они не фиксировали. Кто прав, а кто нет – пока не ясно. Это порождает горячие дискуссии",

 — рассказывал РИА "Новости" Андрей Соколов из Института ядерной физики СО РАН в Новосибирске.

Достаточно долгое время ученые считали, что Вселенная состоит из той материи, которую мы видим, и которая составляет основу всех звезд, черных дыр, туманностей, скоплений пыли и планет. Но первые наблюдения за скоростью движения звезд в близлежащих к нам галактиках показали, что светила на их окраинах движутся в них с невозможно высокой скоростью, которая была примерно в 10 раз выше, чем показывали расчеты на базе масс всех светил в них.

Причиной этого, как сегодня считают ученые, была так называемая темная материя – загадочная субстанция, на чью долю приходится примерно 75% от массы материи во Вселенной. Как правило, в каждой галактике примерно в 8-10 раз больше темной материи, чем ее видимой "кузины", и эта темная материя удерживает звезды на месте и не дает им "разбежаться".

Первые слухи об открытии темной материи начали распространяться в 2010-2011 годах, когда участники коллаборации DAMA/LIBRA начали анализировать данные, собираемые в итальянской глубинной шахте Гран-Сассо детектором темной материи, полностью изолированном от внешнего мира.

По замыслу создателей этого устройства, темная материя нашей Галактики, пролетающая через специальную емкость по мере движения Земли по орбите вокруг Солнца, будет порождать в ней вспышки света, частота которых и интенсивность должна меняться по определенному шаблону, который диктуется распределением темной материи по Млечному Пути.

Подобные флуктуации, как заявляют участники DAMA/LIBRA, им действительно удалось зафиксировать, однако у большинства других физиков полученные ими результаты вызвали вопросы, так как сила взаимодействий темной материи и кристаллов йодида натрия, в которых рождались эти вспышки, была разной зимой и летом и в целом зависела от времени года.

Ни на одном другом детекторе такой "сезонности" темной материи не было зафиксировано, что заставило физиков искать ошибки в работе детекторов DAMA/LIBRA. Сегодня большинство физиков считает, что сигнал "темной материи" порождали нейтроны, рождающиеся в породах шахты Гран-Сассо под действием потока частиц, исходящих от Солнца.

Физики, работающие с еще одним итальянским детектором XENON100, крупнейшим прибором по поискам темной материи, поставили точку в этой истории, попытавшись найти подобные флуктуации в данных, которые их прибор собирал на протяжении четырех лет с 2010 по 2014 год.

Анализ данных с XENON100 показал, что флуктуации, которые "открыли" на DAMA/LIBRA, на самом деле не существуют, и уровень достоверности такого "отрицательного открытия" составляет 5,7 сигма (это соответствует одной случайной ошибке на 200 миллионов попыток). В физике элементарных частиц статус открытия получают замеры с уровнем достоверности в пять сигма, что говорит о том, что результаты DAMA/LIBRA не являются верными, и что "тяжелая" темная материя в том виде, в котором ее искали физики, вряд ли существует.

С другой стороны, как отмечает Любош Мотль (Lubos Motl), физик-теоретик и бывший профессор Гарварда, данные XENON100 указывают на наличие других флуктуаций – не годичных циклов, длящихся 365 дней, а чуть более продолжительных – около 431 суток. Уровень достоверности этого открытия достаточно низок – всего 1,9 сигма (6,7% вероятности ошибки или случайного совпадения) – что не дает говорить о существовании таких колебаний, но и при этом и не позволяет отрицать их существование. Соответственно, есть ненулевая вероятность того, что "тяжелая" темная материя все же существует.

Тем не менее, необходимо учитывать то, что схожие отрицательные результаты были недавно получены на американском детекторе LUX, главном "конкуренте" XENON100. Все это указывает на то, что темная материя может выглядеть совершенно иначе, и вести себя, как показали недавние наблюдения за сталкивающимися галактиками при помощи "Хаббла", как жидкость, или же состоять из сверхлегких частиц-аксионов.