В окружении «темной материи»

Физики-ядерщики из Института ядерных исследований НАНУ занялись поисками таинственной «темной материи». Многие результаты им удалось получить впервые в мире. За это они получили престижную Премию Президента Украины для молодых ученых.

Руководитель группы кандидат физико-матема­ти­чес­ких наук Денис Пода сейчас участвует в экспериментах лаборатории в Гран-Сассе (Италия), находящейся глубоко под землей. Пришлось связаться с ним по Skype.

Как заставить мрак светиться?

— Денис Валентинович, что науке сегодня известно о «темной материи» и почему она так названа?

— Есть много подтверждений, в том числе физических и астрономических, того, что в природе существует некая скрытая масса, не проявляющая себя никаким электромагнитным излучением — ни в видимом спектре, ни в рентгеновском, ни в радиодиапазоне. То есть она не «светится». Отсюда название — «темная материя». Только ее наличием можно объяснить многие явления, не укладывающиеся в нынешнюю теорию развития и строения Вселенной. Так, орбитальные скорости галактик в галактических скоплениях, особенности движения скоплений галактик и других крупномасштабных структур во Вселенной отличаются от предсказанных теорией. По современным представлениям, лишь 4,4% массы Вселенной составляет обычная — барионная — материя. Приблизительно 23% приходится на небарионную «темную материю», не участвующую в сильном и электромагнитном взаимодействии. Кроме того, еще 72% массы Вселенной составляет «темная энергия». Ее действие проявляется в том, что наша Вселенная после Большого взрыва расширяется не с замедлением, как это должно следовать из наличия гравитации, а наоборот — с ускорением. Почему это происходит, пока непонятно. «Темная материя» и «темная энергия» — величайшие неразрешенные загадки современной физики.

Есть ряд теорий, предсказывающих, какие частицы могут составлять «темную материю» и какая у них может быть релятивистская скорость. Возможно, это некая горячая «темная материя». Это также могут быть остатки звезд, то есть холодная «темная материя». Эксперименты в ЦЕРНе (Швейцария) и в лаборатории в Гран-Сассе должны ответить на вопрос, каким способом можно заставить частицы «темной материи» вступать во взаимодействие с приборами — детекторами. В одной из гипотез рассматриваются так называемые слабо взаимодействующие тяжелые частицы «темной материи» (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP, ВИМП-частицы). Когда такая частица пролетает сквозь детектор, она сталкивается с ядром элемента, из которого состоит кристалл, и меняет направление движения. Ядро элемента также немного меняет положение и при этом выделяет определенную энергию — до нескольких десятков кэВ (килоэлектронвольт). Эту энергию надо зафиксировать, измерить и тем самым показать, что «темная материя» взаимодействует с видимым веществом.

— В чем суть ваших опытов?

— Участвуя в одном из таких экспериментов, проводимом EURECA — сообществом ученых разных стран, мы работаем над созданием для него специального сцинтилляционного детектора. Имеются теоретические предсказания, что с ядрами разной массы — легкими, средними и тяжелыми — у частиц «темной материи» должны быть разные эффекты при столкновениях. Мы пытаемся в одном детекторе собрать несколько сцинтилляционных кристаллов с разными массами ядер. Такой прибор позволит с большой вероятностью ответить, была это «темная энергия» или что-то иное.

Один из самых интересных результатов, полученных во время поиска «темной энергии», дал опыт с использованием 250 кг кристаллов натрий-йода, активированных таллием. В этом эксперименте уже свыше 10 лет наблюдается так называемый эффект модуляции: в одно время года регистрируется большее количество взаимодействий, в другое — их число уменьшается. Данная модуляция происходит в результате взаимодействия детектора с чем-то. Наиболее вероятной причиной является «темная материя»: в одно время года Земля движется в одном направлении с потоком «темной материи», в другое — ему навстречу. Пока ни в одном другом эксперименте подобный эффект не наблюдался. Но и ни один эксперимент не длился так долго и с такими высокими характеристиками. Поэтому наша цель — продолжать получать данные, а также повысить чувствительность аппаратуры.

Ну очень редкие ядерные процессы

— Расскажите подробнее о работе группы, которая удостоена Премии Президента.

— Мы получили целый ряд новых научных результатов. Среди них — успехи в поиске двойного бета-распада атомных ядер. Это особый вид ядерного распада, который сопровождается увеличением заряда ядра на две единицы и излучением двух электронов. Как оказалось, такие явления происходят с некоторыми элементами, но чрезвычайно редко, с периодом полураспада 1013 — 1018 , а то и 1024 лет. Поэтому и название нашей работы — «Редкостные ядерные и субъядерные процессы». Результаты достаточно интересны с научной точки зрения, они изложены в наших статьях, а также в нескольких рефератах.

Всем известен вольфрам — из него, к примеру, делают нити для лампочек. Долгое время вольфрам-180 считался стабильным изотопом, пока не обнаружили его распад. Оказалось, что это нестабильный изотоп с периодом полураспада 1018 лет. Для сравнения: время жизни Вселенной — 1010 лет. То есть изотоп этот, при всей своей очевидной стабильности, тем не менее все равно распадается.

С использованием сцинтилляционных детекторов мы провели исследование редкостного бета-распада ядра кадмия-113. Выяснили, что период полураспада этого изотопа — 1013 лет. Это важное открытие, позволяющее уточнить теоретическую модель. Далее, именно в наших экспериментах, кроме редкостного альфа-распада вольфрама-180, впервые зафиксирован распад европия-151, также до наших опытов считавшегося стабильным изотопом. Исследования проводились в Италии, в специальной лаборатории, глубоко под землей, чтобы уменьшить влияние солнечного фона, внешней радиоактивности и, в частности, космических лучей.

Еще один важный результат — установление нового ограничения на массу аксиона. Это такая гипотетическая частица, которую пока никто не наблюдал, но она может, по теории, принимать участие в формировании «темной материи». Сделана попытка зарегистрировать аксионы, которые излучаются из ядра Солнца. Саму частицу мы не «поймали», но сумели доказать определенные ограничения на ее массу, что также важно для разработки дальнейшей теории.

Мы определили и ряд сцинтилляторов, которые в дальнейшем могут стать перспективными детекторами для изучения редкостных альфа-распадов, бета-распадов, двойного бета-распада и для обнаружения «темной материи». Все эти металлы должны иметь очень низкий уровень радиационного загрязнения, чтобы можно было достоверно наблюдать редкостные эффекты. Благодаря разработанным нами сцинтилляторам мы можем либо зарегистрировать эти сложные процессы, либо оценить ограничения на возможные их характеристики. То есть полученные результаты — это развитие фундаментальных направлений в современной физике, они могут способствовать получению новых экспериментальных данных.

— А кто входит в вашу группу?

— Молодые ученые, два Сергея — Нагорный и Юрченко, оба через год-полтора должны защититься. Четвертый наш коллега — Оксана Полищук, она тоже пишет диссертацию по этой теме. У нас 49 публикаций по данным направлениям, из них 27 в международных журналах. Кроме того, материалы были представлены на 15 отечественных и 29 международных конференциях. Большинство полученных нами результатов характеризуются словом «впервые».

Девушки снова идут в физику

С Оксаной Полищук, самой молодой участницей группы Дениса Поды, удалось побеседовать лично.

— Оксана, чем привлекла вас наука? Ядерная физика по нынешним временам вроде непрестижная, немодная специальность?

— Это для кого как. У нас достаточно интересная тематика. Человек обязан знать, в каком мире живет, как устроена Вселенная. По крайней мере, меня это очень интересует. Три года назад я окончила физфак Киевского национального университета им. Тараса Шевченко и очень рада, что попала в группу ученых, изучающих самые острые проблемы ядерной физики. Есть масса нерешенных вопросов, разгадка которых сейчас занимает ученых всего мира. И одно из наиболее интересных направлений — поиски «темной материи».

Мы исследуем нейтрино — нейтральные элементарные частицы, которые очень слабо взаимодействуют с веществом. Они рождаются в результате определенных типов ядерных распадов. Экспериментально уже выявлены три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-лептонное. Также экспериментально зарегистрировано явление перехода одного типа нейтрино в другое, так называемых осцилляций нейтрино (кстати, за это открытие Раймонд Дэвис и Масатоши Кошиба были удостоены в 2002 году Нобелевской премии по физике). Нейтринные эксперименты нацелены на регистрацию потоков нейтрино, определение параметров перехода между разными нейтрино, изучение свойств этих частиц (например, поиски магнитного момента нейтрино), обнаружение новых типов — так называемых стерильных нейтрино. Для получения этих результатов организован эксперимент OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Задействованные в этом опыте специалисты из разных стран изучают мюонные нейтрино, которые производятся на синхротроне Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), находящегося в 730 км от штаб-квартиры OPERA — в итальянской лаборатории Гран-Сассо. Поток высоко­энергетических нейтрино направлен в сторону Гран-Сассо и улавливается установленными там детекторами, состоящими из 150 тысяч «кирпичиков», в которых свинцовые листы переложены листами эмульсионной пленки.

Уже можно утверждать, что гипотеза о сцинтилляции нейтрино подтверждена в эксперименте. Сейчас, развивая эту тематику, мы пытаемся найти массу нейтрино и другие его свойства, о которых еще недавно ничего не было известно. Исследуем такое малоизученное ядерное превращение, как двойной безнейтринный бета-распад для определения масс некоторых элементов. Это в дальнейшем должно помочь при вычислении массы нейтрино. А прямыми методами измерить массу его нельзя.

Я тоже принимала участие в экспериментах в Гран-Сассе. Накопление данных там длится с 2007 года. По показаниям детекторов проводится избирательная проявка пленок для поиска и реконструкции полезных событий в детекторе OPERA. К настоящему моменту исследователи проанализировали только треть данных. В мае 2010 года сотрудники  OPERA объявили о регистрации первого долгожданного события, главной цели эксперимента: был обнаружен трек, свидетельствующий о превращении мюонного нейтрино в тау-лептонное с последующим распадом тау-лептона.

Мы также определяли параметры двойного бета-распада обогащенного молибдена и доказали, что этот распад существует. А значит, сделан еще один шаг к пониманию сути «темной материи».

Справка «УТГ»

Нейтрино — стабильные нейтральные частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: так, частицы с энергией порядка 3—10 МэВ имеют длину свободного пробега в воде порядка 1018м (около 100 световых лет!). Подсчитано, что за одну секунду через тело каждого человека на Земле проходит порядка 1014 нейтрино, излученных Солнцем, без каких-либо последствий. В то же время нейтрино высоких энергий успешно обнаруживаются по их взаимодействию с мишенями.

Масса нейтрино важна для объяснения феномена скрытой массы в космологии, так как, несмотря на малость массы отдельной частицы, концентрация нейтрино во Вселенной достаточно высока, чтобы существенно повлиять на среднюю плотность Вселенной.

Уже установлено, что различные виды этих частиц могут преобразовываться друг в друга. Наличие нейтринных осцилляций имеет фундаментальное значение для современной физики. Они возможны лишь в том случае, если нейтрино во всех своих ипостасях обладают не нулевой массой. Ее величина еще точно не измерена; скорее всего, она составляет доли электрон-вольта, что, как минимум, в миллион раз меньше массы электрона. Однако сам факт, что масса нейтрино все-таки существует, позволяет объяснить асимметрию между материей и антиматерией.