Никто её не видел, но Австралия готовит ловушку: Опубликованы чертежи нового детектора темной материи

Вселенная полна загадок, но одна из самых интригующих — это, пожалуй, тёмная материя. Мы её не видим, не можем потрогать, она не излучает и не поглощает свет. Однако, судя по гравитационным эффектам, которые она оказывает на звёзды и галактики, её во Вселенной в несколько раз больше, чем всей привычной нам, видимой материи. Представляете? Почти 85% всей массы вокруг — это нечто совершенно неизвестное. Неудивительно, что учёные по всему миру буквально охотятся за ней, строя всё более изощрённые ловушки.

И вот, недавно команда австралийских исследователей сделала важный шаг: они опубликовали подробный технический проект своего амбициозного эксперимента — SABRE South. Это не просто очередной научный отчёт; это своего рода «инструкция по сборке» детектора, который совсем скоро будет установлен глубоко под землёй, в бывшей золотой шахте Ставелл в Австралии. Публикация таких деталей — знак того, что проект выходит на финишную прямую перед самой установкой.

Зачем лезть так глубоко? И почему Австралия?

Может возникнуть вопрос: зачем закапывать сложнейшее оборудование на глубину в километр? Ответ прост: чтобы спрятаться. Но не от темной материи, а от назойливого «шума» — потока космических лучей, которые постоянно бомбардируют поверхность Земли. Эти частицы (в основном протоны и ядра атомов) могут легко имитировать тот слабый сигнал, который учёные надеются поймать от неуловимой тёмной материи. Толща земной породы служит отличным естественным щитом, отсекая большую часть этого фона.

А почему именно Южное полушарие? Тут дело вот в чём. Существует давний и довольно известный эксперимент DAMA/LIBRA, расположенный в Италии (Северное полушарие). Уже много лет эта коллаборация заявляет о регистрации сигнала, который странным образом меняется в течение года — достигая пика летом и минимума зимой. Одна из гипотез связывает это с движением Земли сквозь гипотетическое «гало» тёмной материи, окутывающее нашу галактику. Летом Земля движется «по направлению» этого потока, зимой — «против».

Звучит интригующе, правда? Но загвоздка в том, что другие эксперименты пока не смогли однозначно подтвердить эти результаты. SABRE South — это своего рода «контрольный выстрел». Если частицы тёмной материи действительно вызывают этот годовой цикл, то в Южном полушарии пик сигнала должен наблюдаться со сдвигом в полгода по сравнению с Италией! Подтверждение этого стало бы настоящим прорывом.

Как поймать невидимое: Сердце детектора

Так что же представляет собой ловушка SABRE South? В её основе — сверхчистые кристаллы йодида натрия (NaI). Тот же материал использует и DAMA/LIBRA, что важно для прямого сравнения результатов. Идея в том, что когда частица тёмной материи (если она взаимодействует с обычной материей, конечно) пролетает сквозь кристалл, она может столкнуться с ядром атома йода или натрия. Это столкновение вызовет крошечную вспышку света — сцинтилляцию.

Эти слабенькие вспышки и должны уловить сверхчувствительные фотодетекторы, окружающие кристаллы. Звучит просто, но дьявол, как всегда, в деталях. Сигнал ожидается невероятно слабым, поэтому сами кристаллы должны быть исключительно чистыми, а вся установка — тщательно изолирована от любых посторонних воздействий, будь то вибрации или радиоактивный фон от окружающих материалов.

Поэтому кристаллы помещают в специальные герметичные медные контейнеры, а всю конструкцию погружают в большую ёмкость с жидким сцинтиллятором. Эта жидкость выполняет двойную роль: во-первых, она служит дополнительным слоем пассивной защиты от внешнего излучения, а во-вторых — активным «вето-детектором». Если какая-то частица извне (например, мюон — частица космических лучей, которой удалось пробиться сквозь толщу земли) пройдёт через жидкость перед тем, как попасть в кристалл, она тоже вызовет вспышку. Такие события система научится распознавать и отбрасывать как фоновые. Это как поставить охрану вокруг основной ловушки.

Люди за машиной: Десятилетие работы и волнение первооткрывателей

За сухими строчками технического описания стоят годы кропотливой работы большой команды учёных и инженеров из ведущих университетов Австралии. Профессор Филипп Уркихо, один из руководителей проекта, подчёркивает, что к этому моменту шли почти десять лет. Десять лет планирования, исследований, проб и ошибок!

И для молодых учёных, таких как аспирант Лаклан Миллиган, участие в проекте на этапе его создания — это бесценный опыт. Часто аспиранты приходят уже на стадию анализа готовых данных, а здесь есть возможность увидеть весь процесс «рождения» экспериментальной установки своими глазами. Согласитесь, есть в этом что-то волнующее — быть частью команды, которая строит инструмент для ответа на один из фундаментальнейших вопросов о строении Вселенной.

Что дальше? Ожидание сигнала

Сейчас оборудование уже начало свой путь в подземные чертоги лаборатории SUPL. По планам, сбор данных должен начаться к концу 2025 года. И тогда… тогда начнётся самое интересное. Будет ли зарегистрирован загадочный годовой сигнал? Подтвердит ли SABRE South наблюдения DAMA/LIBRA, или же добавит ещё больше вопросов к тайне тёмной материи?

Независимо от результата, SABRE South станет важной вехой в наших попытках понять, из чего же на самом деле состоит мир вокруг нас. Публикация технического проекта — это не просто формальность, это приглашение всему научному сообществу взглянуть на детали, оценить подход и, конечно, с нетерпением ждать первых результатов этой захватывающей подземной охоты. Ведь где-то там, в темноте, возможно, скрывается ответ на вопрос: что такое тёмная материя? И австралийские учёные готовы пролить на это немного света. Или, точнее, поймать его крошечные вспышки глубоко под землёй.