Поиски таинственной темной материи, которой, согласно теории, во Вселенной в пять раз больше, чем обычной материи, пока еще не принесли положительных результатов, несмотря на массу попыток и экспериментов, направленных на обнаружение частиц, являющихся основой "темной стороны". И теперь исследователи из Европейской организации ядерных исследований CERN в рамках эксперимента BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) используют совершенно новый подход, заключающийся в применении еще одной очень странной субстанции - антиматерии.
Темная материя и антивещество являются предметами двух самых важных и нерешенных загадок современной физики и астрофизики. Согласно данным астрономических наблюдений, в пространстве Вселенной находится гораздо большая масса, чем масса материи, которую мы можем непосредственно видеть. И то, на что приходится эта масса, получило название темной материи. Нам пока еще неизвестно, из чего состоит эта темная материя, но существует целый ряд теорий, объясняющих это явление, главными действующими "лицами" которых являются экзотические электрически заряженные частицы, темные фотоны, сверхтяжелые гравитино и даже некая "темная жидкость", имеющая отрицательную массу.
Антивещество, с другой стороны, является достаточно реальной вещью, которую ученые могут получить и изучить непосредственно. В сущности, антиматерия это практически та же самая барионная материя, частицы которой имеют противоположный заряд и у каждой частицы обычной материи имеется свой анти-двойник. И когда частица обычной материи сталкивается с частицей антиматерии, они обе исчезают, аннигилируют, порождая энергетическую вспышку. Современные космологические модели указывают на то, что в момент Большого Взрыва во Вселенной образовалось одинаковое количество материи и антиматерии, но все то, что мы наблюдаем сейчас, состоит из обычной материи. И отсюда вытекает вопрос - куда же подевалась вся антиматерия?
В своих новых исследованиях ученые CERN занялись изучением возможной связи между темной материей и существующей асимметрией количества материи и антиматерии. Для этого они использовали эксперимент, суть которого подобна экспериментам, проводившимся ранее. Обычно в установках для поисков темной материи находится некоторое количество частиц обычного вещества, изолированных от окружающей среды. И ученые ищут в среде этих частиц различные аномалии, которые могут являться результатами взаимодействия между материей и темной материей.
Однако, сейчас исследователи CERN пошли чуть другим путем, вместо частиц обычной материи они использовали частицы антиматерии. Они взяли антипротоны, вырабатываемые специальным источником, и заключили их в устройстве, известном под названием ловушки Пеннинга, которое препятствует контакту частиц антиматерии с частицами материи. После этого была проведена процедура выравнивания спинов антипротонов и эти спины контролировались более, чем тысячу раз на протяжении трех месяцев.
Идея эксперимента заключается в проведении измерений и вычислении средней частоты вращения антипротонов за длительный промежуток времени. И если с этой частотой происходит нечто необычное, это может стать доказательством вмешательства частиц темной материи.
[Оборудование эксперимента BASE #2]
В частности поиски были нацелены на поиски частиц-аксионов, который, как известно, являются одними из основных кандидатов на "звание" частиц темной материи. Эти частицы электрически нейтральны, они очень легки и их потоки пронзают пространство Вселенной, лишь изредка взаимодействуя как с материей, так и с антиматерией. Поиски следов взаимодействия аксионов с обычной материей уже были безрезультатно проведены в ходе предыдущих экспериментов и сейчас ученые CERN провели подобные поиски с участием антиматерии.
Однако, как и ранее, ученым не удалось обнаружить никаких значимых сигналов взаимодействия антивещества и темной материи. Но такой результат не является абсолютно бесполезным для науки, это указывает на то, что взаимодействие между антипротонами и аксионами не происходит на уровне энергии от 0.1 до 0.6 ГэВ в зависимости от массы аксионов. Такое медленное и утомительноеисключение возможных диапазонов масс и энергий позволит ученым, в конце концов, обнаружить и изучить природу таинственной темной материи.
Начиная эксперимент, ученые CERN не сильно надеялись на получение четких сигналов. Ведь получение сигнала в данном диапазоне массы и энергии означало бы наличие огромного несоответствия между свойствами вещества и антивещества, что шло бы вразрез с практически всеми существующими теориями. И может так статься, что в будущем данные, собранные в ходе эксперимента BASE станут существенным дополнением к знаниям о взаимоотношениях между материей и антиматерией, темной материей и антивеществом.