В оточенні «темної матерії»

Фізики-ядерники з Інституту ядерних досліджень НАНУ зайнялися пошуками таємничої «темної матерії». Багато результатів їм удалося одержати вперше у світі. За це вони здобули престижну Премію Президента України для молодих учених.

Керівник групи кандидат фізико-математичних наук Денис Пода зараз бере участь у експериментах лабораторії в Гран-Сассі (Італія), яка розташована глибоко під землею. Довелося зв’язатися з ним по Skype.

Як змусити морок світитися?

— Денисе Валентиновичу, що науці сьогодні відомо про «темну матерію» і чому її так назвали?

— Є багато підтверджень, у тому числі фізичних і астрономічних, того, що в природі існує якась прихована маса, яка не проявляє себе ніяким електромагнітним випромінюванням — ні у видимому спектрі, ні в рентгенівському, ні в радіодіапазоні. Тобто вона не «світиться». Звідси назва — «темна матерія». Тільки її наявністю можна пояснити багато явищ, які не укладаються в нинішню теорію розвитку й будови Всесвіту. Так, орбітальні швидкості галактик у галактичних скупченнях, особливості руху скупчень галактик і інших великомасштабних структур у Всесвіті відрізняються від передвіщених теорією. За сучасними уявленнями, лише 4,4% маси Всесвіту становить звичайна — баріонна — матерія. Приблизно 23% припадає на небаріонну «темну матерію», яка не бере участі в сильній та електромагнітній взаємодії. Крім того, ще 72% маси Всесвіту становить «темна енергія». Її дія проявляється в тому, що наш Всесвіт після Великого вибуху розширюється не з уповільненням, як це має бути з огляду на наявність гравітації, а навпаки — із прискоренням. Чому це відбувається, поки незрозуміло. «Темна матерія» і «темна енергія» — найбільші загадки сучасної фізики.

Є декілька теорій, які прогнозують, які частинки можуть становити «темну матерію» і яка в них може бути релятивістська швидкість. Можливо, це якась гаряча «темна матерія». Це також можуть бути залишки зірок, тобто холодна «темна матерія». Експерименти в Церні (Швейцарія) і в лабораторії в Гран-Сассі повинні відповісти на запитання, яким способом можна змусити частинки «темної матерії» вступати у взаємодію із приладами — детекторами. В одній із гіпотез розглядаються так звані слабко взаємодіючі важкі частинки «темної матерії» (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP, ВІМП-частинки). Коли така частинка пролітає крізь детектор, вона зіштовхується з ядром елемента, з якого складається кристал, і змінює напрямок руху. Ядро елемента також трохи змінює положення й при цьому виділяє певну енергію — до декількох десятків кеВ (кілоелектронвольт). Цю енергію треба зафіксувати, вимірити й таким чином показати, що «темна матерія» взаємодіє з видимою речовиною.

— У чому суть ваших дослідів?

— Беручи участь в одному з таких експериментів, проведеному EURECA — співтовариством учених різних країн, ми працюємо над створенням для нього спеціального сцинтиляційного детектора. Є теоретичні прогнози, що з ядрами різної маси — легкими, середніми і важкими — у частинок «темної матерії» мають бути різні ефекти під час зіткнень. Ми намагаємося в одному детекторі зібрати декілька сцинтиляційних кристалів із різними масами ядер. Такий прилад дозволить із великою ймовірністю відповісти, була це «темна енергія» чи щось інше.

Один із найцікавіших результатів, отриманих під час пошуку «темної енергії», дав експеримент із використанням 250 кг кристалів натрій-йоду, активованих талієм. У цьому експерименті вже понад 10 років спостерігається так званий ефект модуляції: в одну пору року реєструється більша кількість взаємодій, в іншу — їхня кількість зменшується. Ця модуляція відбувається в результаті взаємодії детектора із чимось. Найімовірнішою причиною є  «темна матерія»: в одну пору року Земля рухається в одному напрямку з потоком «темної матерії», в іншу — йому назустріч. Поки в жодному іншому експерименті такий ефект не спостерігався. Але й жоден експеримент не тривав так довго й із такими високими характеристиками. Тому наша мета — надалі одержувати дані, а також підвищити чутливість апаратури.

Дуже рідкісні ядерні процеси

— Розкажіть докладніше про роботу вашої групи, яка визнана гідною премії Президента.

— Ми одержали багато нових наукових результатів. Серед них — успіхи в пошуку подвійного бета-розпаду атомних ядер. Це особливий вид ядерного розпаду, який супроводжується збільшенням заряду ядра на дві одиниці й випромінюванням двох електронів. Як виявилося, такі явища відбуваються з деякими елементами, але надзвичайно рідко, із періодом напіврозпаду 1013 — 1018 , а то й 1024 років. Тому й назва нашої роботи — «Рідкісні ядерні й суб’ядерні процеси». Результати досить цікаві з наукового погляду, їх викладено в наших статтях, а також у декількох рефератах.

Усім відомий вольфрам — з нього, приміром, роблять нитки для лампочок. Довгий час вольфрам-180 уважався стабільним ізотопом, поки не виявили його розпаду. З’ясувалося, що це нестабільний ізотоп із періодом напіврозпаду 1018 років. Для порівняння: час життя Всесвіту — 1010 років. Тобто ізотоп цей, за всієї своєї очевидної стабільності, усе одно розпадається.

Із використанням сцинтиляційних детекторів ми провели дослідження рідкісного бета-розпаду ядра кадмію-113. З’ясували, що період піврозпаду цього ізотопу — 1013 років. Це важливе відкриття, що дозволяє уточнити теоретичну модель. Далі, саме в наших експериментах, крім рідкісного альфа-розпаду вольфраму-180, уперше зафіксований розпад європія-151, який також до наших дослідів уважався стабільним ізотопом. Дослідження проводилися в Італії, у спеціальній лабораторії, глибоко під землею, щоб зменшити вплив сонячного фону, зовнішньої радіоактивності та, зокрема, космічних променів.

Ще один важливий результат —  установлення нового обмеження на масу аксіона. Це така гіпотетична частинка, яку поки ніхто не спостерігав, але вона може, теоретично, брати участь у формуванні «темної матерії». Зроблено спробу зареєструвати аксіони, які випромінюються з ядра Сонця. Саму частинку ми не «піймали», але зуміли довести певні обмеження на її масу, що також важливо для розробки подальшої теорії.

Ми визначили й декілька сцинтиляторів, які надалі можуть стати перспективними детекторами для вивчення рідкісних альфа-розпадів, бета-розпадів, подвійного бета-розпаду й для виявлення «темної матерії». Усі ці метали повинні мати дуже низький рівень радіаційного забруднення, щоб можна було вірогідно спостерігати рідкісні ефекти. Завдяки розробленим нами сцинтиляторам ми можемо або зареєструвати ці складні процеси, або оцінити обмеження на можливі їхні характеристики. Тобто отримані результати — це розвиток фундаментальних напрямів у сучасній фізиці, вони можуть сприяти одержанню нових експериментальних даних.

— А хто входить до вашої групи?

— Молоді вчені, два Сергія — Нагорний і Юрченко, обидва через рік-півтора мають захиститися. Четвертий наш колега — Оксана Поліщук, вона теж пише дисертацію з цієї теми. У нас 49 публікацій з цих напрямів, із них 27 у міжнародних журналах. Крім того, матеріали були представлені на 15 вітчизняних й 29 міжнародних конференціях. Більшість отриманих нами результатів характеризуються словом «уперше».

Дівчата знову йдуть у фізику

З Оксаною Поліщук, наймолодшою учасницею групи Дениса Пода, удалося поговорити особисто.

— Оксано, чим привабила вас наука? Ядерна фізика наразі начебто непрестижна, немодна спеціальність?

— Це дивлячись для кого. У нас досить цікава тематика. Людина має знати, у якому світі живе, як улаштований Всесвіт. Принаймні мене це дуже цікавить. Три роки тому я закінчила фізфак Київського університету, і дуже рада, що потрапила до групи вчених, які вивчають найгостріші проблеми ядерної фізики. Є безліч нерозв’язаних питань, вирішення яких зараз цікавить учених усього світу. І один із найцікавіших напрямів — пошуки «темної матерії».

Ми досліджуємо нейтрино — нейтральні елементарні частинки, які дуже слабко взаємодіють із речовиною. Вони народжуються внаслідок певних типів ядерних розпадів. Експериментально вже виявлені три типи нейтрино: електронне, мюонне й тау-лептонне. Також експериментально зареєстроване явище переходу одного типу нейтрино в інший, так званих осциляцій нейтрино (до речі, за це відкриття Раймонд Девіс і Масатоші Кошиба були визнані гідними в 2002 році Нобелівської премії з фізики). Нейтринні експерименти спрямовані на реєстрацію потоків нейтрино, визначення параметрів переходу між різними нейтрино, вивчення властивостей цих частинок (наприклад, пошуки магнітного моменту нейтрино), виявлення нових типів — так званих стерильних нейтрино. Для одержання цих результатів організований експеримент OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Задіяні в цьому досліді фахівці з різних країн вивчають мюонні нейтрино, які виробляються на синхротроні Європейського центру ядерних досліджень (ЦЕРН), що розташований в 730 км від штаб-квартири OPERA — в італійській лабораторії Гран-Сассо. Потік високоенергетичних нейтрино спрямований у напрямку Гран-Сассо й уловлюється встановленими там детекторами, що складаються з 150 тисяч «цеглинок», у яких свинцеві листи перекладені листами емульсійної плівки.

Уже можна говорити, що гіпотеза про сцинтиляції нейтрино підтверджена в експерименті. Зараз, розвиваючи цю тематику, ми намагаємося знайти масу нейтрино й інші його властивості, про які ще недавно нічого не було відомо. Досліджуємо таке маловивчене ядерне перетворення, як подвійний безнейтринний бета-розпад для визначення мас деяких елементів. Це надалі має допомогти під час обчислення маси нейтрино. А прямими методами виміряти  його масу не можна.

Я теж брала участь в експериментах у Гран-Сассі. Нагромадження даних там триває з 2007 року. За показниками детекторів проводиться вибіркове проявлення плівок для пошуку та реконструкції корисних подій у детекторі OPERA. Наразі дослідники проаналізували тільки третину даних. У травні 2010 року співробітники OPERA оголосили про реєстрацію першої довгоочікуваної події, головної мети експерименту: був виявлений трек, який свідчить про перетворення мюонного нейтрино на тау-лептонне з подальшим розпадом тау-лептона.

Ми також визначали параметри подвійного бета-розпаду збагаченого молібдену й довели, що цей розпад існує. А отже, зроблено ще один крок до розуміння суті «темної матерії».

Довідка «УТГ»

Нейтрино — стабільні нейтральні частинки, які беруть участь тільки в слабкій і гравітаційній взаємодіях. Нейтрино малої енергії надзвичайно слабко взаємодіють із речовиною: так, частинки з енергією близько 3-10 МеВ мають довжину вільного пробігу у воді близько 1018 м (близько 100 світлових років!). Підраховано, що за одну секунду через тіло кожної людини на Землі проходить близько 1014 нейтрино, випромінених Сонцем, не заподіюючи ніяких наслідків. У той же час нейтрино високих енергій успішно виявляються за їхньою взаємодією з мішенями.

Маса нейтрино важлива для пояснення феномена прихованої маси в космології, бо, незважаючи на малу масу окремої частинки, концентрація нейтрино у Всесвіті досить висока, щоб істотно вплинути на середню густину Всесвіту.

Уже встановлено, що різні види цих частинок можуть перетворюватися одна на одну. Наявність нейтринних осциляцій має фундаментальне значення для сучасної фізики. Вони можливі лише в тому випадку, якщо нейтрино у всіх своїх іпостасях мають не нульову масу. Її величина ще точно не обмірена; швидше за все, вона становить частку електрон-вольта, що, як мінімум, у мільйон разів менше від маси електрона. Однак сам факт, що маса нейтрино все-таки існує, дозволяє пояснити асиметрію між матерією та антиматерією.