На своїх сторінках «ПМ» вже розповідала про загадкові частинки нейтрино, для вивчення яких будують підводні, підземні і навіть підлідні установки. Цілком можливо, що нейтрино має й інші нейтральні побратими. І хоча про них практично нічого не відомо, вчені не залишають спроби виявити їх сліди за допомогою надчутливих детекторів.
Мільйони зірок, видних неозброєним оком, і мільярди об'єктів, що світяться в телескопи, це далеко не все, ніж заповнений Всесвіт. Ще в 1930-х роках при спостереженнях за рухом зоряних скупчень виникла підозра, що ми бачимо лише незначну частину космічних об'єктів. Наступні ретельні вимірювання тільки підтвердили ці припущення. Наприклад, якщо взяти об'єкт, розташований на краю якоїсь галактики, і визначити швидкість його руху навколо центру, то за формулою для першої космічної швидкості можна вирахувати масу притягуючого тіла, тобто самої галактики. Цю ж масу можна розрахувати на основі спостережень за іншим об'єктом, що знаходиться далеко за видимою межею цієї ж галактики, але теж обертається навколо неї. Коли такі вимірювання були зроблені, виявилося, що два результати не збігаються і друга маса майже в десять разів більше першої. Це означало, що навколо тіл галактик є величезні корони (або гало) з невидимої темної речовини, які містять ні багато ні мало - 90% маси цих космічних об'єктів.
Таємниця, вкрита мороком
Темна речовина не випромінює жодних електромагнітних хвиль, у тому числі й світла, а тому виявити її можна тільки за створюваним ним гравітаційним впливом на інші об'єкти. Воно становить основну масу не тільки окремих галактик, але і їх величезних скупчень. І, ймовірно, заповнює величезні простори між скупченнями галактик.
Досі не ясно, з чого складається темна матерія, а список можливих кандидатів включає як масивні чорні діри, набагато важчі Сонця, так і гіпотетичні елементарні частинки, більш легкі, ніж електрон. Як написано в одній з наукових книг з астрофізики, «спектр можливих претендентів на роль темної матерії обмежений не стільки якимись фізичними умовами, скільки нашою уявою і допустимими теоретичними уявленнями». Найпростіше пояснення полягає в тому, що у Всесвіті просто дуже багато звичайних тьмяних або холодних об'єктів, невидимих в телескопи: планет, коричневих і білих карликів, чорних дір. Ці масивні джерела прихованої маси, названі MACHO, намагаються знайти за створюваним ними ефектом гравітаційної лінзи за допомогою астрономічних спостережень.
Гості з космосу
Інші кандидати на роль темної матерії набагато легші і менші. Цілком ймовірно, що наш Всесвіт заповнений великою кількістю ще невідомих нам елементарних частинок, які подорожують її просторами з часів Великого Вибуху. Ці частинки настільки слабко (інакше кажучи, рідко) взаємодіють зі звичайною речовиною, що насилу піддаються детектуванню. Вони отримали назву WIMP-частинок (Weakly Interacting Massive Particles - масивні частинки, що слабо взаємодіють). Це можуть бути якісь нові види нейтрино, а може, гіпотетичні нейтраліно, гравітіно, фотино або аксіони, які з'являються в різних теоріях.
Якщо ці космічні мандрівники дійсно існують, на шляху їх проходження напевно опиниться земна лабораторія. Але виявити їх появу не так-то просто. Подібно звичайним нейтрино, вони без зусиль пронизують земну кулю, не взаємодіючи з зарядами і не іонізуючи речовину. Про їхні взаємини з іншими частинками і ядрами ми нічого не знаємо і не можемо підготувати стовідсоткову пастку: адже щоб поставити запитання, потрібно знати більшу частину відповіді. І тим не менш у нас є шанси вийти на слід.
Партія в більярд
Не у всіх зіткненнях елементарних частинок обов'язково відбуваються якісь перетворення. Іноді частинки просто стикаються один з одним і розлітаються в різні боки, залишаючись самими собою. Можуть змінитися тільки їх швидкості і напрямок руху, як у більярдних куль, що зіткнулися. Подорожуючі Всесвітом частинки темної матерії (якщо вони дійсно є) повинні зрідка наштовхуватися на ядра речовини. Якщо у частинки достатньо енергії, ядро просто зрушиться з місця і, переміщаючись, викличе іонізацію і коливання решітки (фонони), що і буде служити сигналом про зіткнення.
Передбачається, що частинки темної матерії передають ядрам речовини невелику енергію, та до того ж і роблять це досить рідко. Частота таких попадань може скласти приблизно одну подію на кілограм робочої речовини детектора за десять днів (а за іншими розрахунками - навіть за цілий рік!), хоча за деякими оцінками кожну секунду через кожен квадратний сантиметр навколишнього простору може пролітати близько 100 000 WIMP-частинок. Адже навколишній нас світ наповнений і іншими частинками і випромінюваннями, які, на відміну від гіпотетичних частинок темної матерії, набагато охочіше взаємодіють з речовиною детектора і створюють фон, на якому дуже складно помітити корисний сигнал.
Якщо детектор встановити на поверхні Землі, то через кожен його квадратний сантиметр приблизно кожні 10 секунд буде пролітати космічний мюон. З цієї причини доводиться розташовувати установки глибоко під землею і використовувати надчисті матеріали і додатковий захист від природної радіоактивності.
Отже, якщо темна матерія все ж складається з невідомих елементарних частинок, якщо цих частинок досить багато навколо нас, якщо вони володіють достатньою енергією, то у нас є шанс помітити це... якщо вдасться знайти відповідний детектор.
Кріогенні детектори
Спочатку для пошуку WIMP-частинок використовувалися детектори, що реєструють тільки іонізацію, яка становить менше половини корисного сигналу, при тому, що основна частина переданої енергії перетворюється на коливання кристалічної решітки і викликає нагрів детектора. Але цей нагрів такий малий, що виявити його при кімнатній температурі абсолютно неможливо. Інша справа - кріогенний детектор, охолоджений до 50 мК (мК - одна тисячна градуса Кельвіна). Відповідно до добре відомого закону про тепломісткість тіл, при температурах, близьких до абсолютного нуля, нагрів відбувається набагато ефективніше: та ж енергія, яка нагріває речовину при кімнатній температурі на одну десятитисячну градуса, нагріє її при температурі рідкого гелію (4,2 К) майже на цілий "
