Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ
12 декабря команда исследователей ЦЕРНа под руководством Ивана Воробьева объявила о том, что им в ходе эксперимента удалось получить около 18 тысяч ядер антигелия, который свидетельствует о существовании темной материи, пишет Wired.
София Чен (Sophia Chen)
В 2010 году физикам, работавшим на Большом адронном коллайдере, удалось получить очень необычный вид антивещества, известного как "антигелий". Антивещество — это нестабильный вид материи, который аннигилирует при встрече с обычным веществом, а антигелий — это антивещество-близнец обыкновенного атома гелия – того самого гелия, которым наполнены, скажем, воздушные шарики, украшающие наши вечеринки. Никому так и не удалось обнаружить на Земле частицы антигелия, тем не менее он может стать ключом к разгадке одной из самых больших загадок физики: природы темной материи.
По мнению физика-исследователя из ЦЕРНа Ивана Воробьева (Ivan Vorobyev), на Земле антигелий большая редкость, но несмотря на это ученые считают, что в нашей галактике его может быть довольно много. И всё потому, полагают специалисты, что антигелий может появляться при распаде темной материи – невидимого вещества, на которое, судя по всему, приходится 85 процентов всей материи, имеющейся во Вселенной. В понедельник 12 декабря команда исследователей под руководством Воробьева объявила о том, что им удалось получить около 18 тысяч ядер антигелия — и, что более важно, ученые использовали полученный результат для расчета вероятности, с которой наземные детекторы могут уловить антигелий, прилетающий из глубин космоса и, скорее всего, являющийся тем фактором, который свидетельствует о существовании темной материи.
В период с 2016 по 2018 год команде Воробьева в ходе экспериментов удалось наблюдать за более чем миллиардом столкновений частиц в 16-мильном ускорительном кольце БАК, расположенном в Женеве. Имели место два типа столкновений частиц: протонов с протонами, а также ионов свинца с ионами свинца, которые распадаясь образовали множество новых частиц, таких как пионы, каоны и кроме того – порождали еще большее количество протонов. Для регистрации осколков потребовались петабайты данных (что эквивалентно нескольким тысячам портативных жестких дисков). Затем ученые занялись просеиванием информации. "Мы отфильтровали только ту часть, которая представляет для нас интерес", — говорит Воробьев, участник совместного эксперимента ALICE, осуществлявшего проект (акроним ALICE расшифровывается как ALarge Ion Collider Experiment, т.е. "Эксперимент на большом ионном коллайдере".)
В частности, команда Воробьева уделила особое внимание одному из видов античастиц, который известен как антигелий-3, состоящий из двух антипротонов и одного антинейтрона. Команда Воробьева не первая, которая получила антигелий-3; впервые эту античастицу удалось наблюдать еще в 1970 году, при этом она тоже была получена на коллайдере. Но никому не удавалось обнаружить её в природе. Хотя антиматерия образуется на нашей планете естественным образом, она обычно состоит из легких частиц, таких как позитроны (античастицы электронов, которые в тысячи раз менее массивны, чем антигелий). Однако антигелий-3 является относительно тяжелым; а чем тяжелее частица антиматерии, тем реже она появляется. "Если происходят столкновения тяжелых ионов, то каждый дополнительный нуклон будет обходиться вам примерно в триста или четыреста раз дороже, — поясняет Воробьев. – А это значит, что каждое последующее ядро будет появляться в 350 раз реже, чем предыдущее".
Как известно, физики пришли к выводу о существовании темной материи благодаря ее гравитационному воздействию на вращение галактик. Несмотря на это, ученые до сих пор не знают, из чего темная материя состоит. В имеющихся на сегодняшний день гипотезах фигурируют как тяжелые объекты, например, черные дыры, так и легкие, составляющие одну стомиллионную массы электрона. Два десятилетия назад физики впервые выдвинули следующую гипотезу: некоторые частицы темной материи, известные как слабовзаимодействующие массивные частицы, или вимпы [от англ. Weakly Interacting Massive Particles, WIMP – прим. перев.], способны аннигилировать с анти-темной материей, производя материю и антиматерию в равных количествах. Если окажется, что темная материя при аннигиляции порождает антигелий, то обнаружение этой античастицы будет самым главным свидетельством того, что она действительно существует.
В принципе, физики, занимающиеся поисками темной материи, могли бы по сути заниматься исследованием либо обычной материи, либо порождаемой ею антиматерии. "Во многих математических моделях темная материя рассматривается в качестве собственной античастицы, или же в них предполагается существование равного количества как темной материи, так и анти-темной материи, — утверждает физик Тим Линден (TimLinden) из Стокгольмского университета в Швеции (он не участвовал в эксперименте на Большом адронном коллайдере). – В любом случае в результате аннигиляции темной материи количество античастиц и обычных частиц примерно одинаковое".
Однако, по словам Линдена, звезды и другие астрофизические объекты, не имеющие отношение к темной материи, тоже производят большое количество частиц внеземной материи, в результате чего становится затруднительно определять их происхождение. "Поэтому мы ищем характерные признаки антивещества", — добавил Линден. Как только такие признаки будут выявлены, можно будет допустить, что обнаруженные частицы космического антивещества, скорее всего, порождены темной материей.
В 2016 году астрофизики сделали интригующее заявление, после которого среди специалистов все больше стал возрастать оптимизм по поводу утверждения о том, что антивещество является одним из признаков темной материи. Ученые, отслеживающие информацию, которая поступает с магнитного альфа-спектрометра, или сокращенно AMS (устройство, размещенное на Международной космической станции), проинформировали научное сообщество о том, что им, скорее всего, удалось обнаружить восемь ядерантигелия. Пока что они официально не опубликовали полученные результаты, а ученые считают данный вывод "предварительным"; однако, по словам Линдена, "это побудило их – если полученные результаты все же были правильными – задаться вопросом: каким же образом эти ядра могли попасть сюда?"
И эксперимент, проводившийся на Большом адронном коллайдере, и анализ данных – всё это имеет важное значение для науки, поскольку укрепляет уверенность ученых в том, что стратегия поиска темной материи должна быть направлена на обнаружение антигелия в космическом пространстве. Получив в детекторе ядра антигелия, команда ученых под руководством Воробьева определила вероятность, с которой антигелий будет распадаться на части или аннигилировать с обычной материей при прохождении через этот аппарат. Полученные результаты были использованы учеными для создания модели Млечного Пути, чтобы оценить вероятность того, что ядра антигелия, возникающие на расстоянии до десятков тысяч световых лет, способны долетать до Земли. Космос по большому счету мало заполнен материей, и тем не менее, по мере того, как антигелий будет лететь через галактику к Земле, все равно будет существовать некоторая вероятность того, что его ядра будут сталкиваться с облаками газа и разлетаться на части.
Результаты, полученные учеными, обнадеживают: "Мы установили, что половина из них все-таки долетает до детекторов, установленных вблизи Земли", — утверждает Воробьев. И это вселяет уверенность в том, что детекторы антиматерии в конечном итоге смогут поймать какую-нибудь частицу антигелия. Магнитный альфа-спектрометр, обнаруживший вероятные признаки антигелия, о которых сообщалось в 2016 году, продолжает вести поиск. Планируется также использовать новый прибор – "Общий спектрометр античастиц" (GAS); в конце 2023 года его планируют запустить на воздушном шаре в атмосферу Антарктиды, где он на высоте 25 миль будет искать антигелий и другие частицы.
Эта описанная выше новая работа ученых показывает, насколько нелинейным и непредсказуемым бывает научный поиск. Для того, чтобы разобраться в столь важном вопросе как природа темной материи, ученым пришлось провести мозговой штурм и ответить на следующий вопрос: можно ли ее каким-то образом обнаружить на Земле? После этого гипотезы теоретиков пришлось проверять экспериментаторам с помощью опытов, подобных тому, в котором участвовала команда ученых под руководством Ивана Воробьева. Для поиска антивещества астрофизики создали специальную аппаратуру. Теперь всё свелось к тому, чтобы, по крайней мере, вести поиски темной материи на основе антигелиевого подхода. "Совместные усилия различных исследовательских групп, направленные на поиск ответа на эти действительно сложные вопросы, оказались эффективны", — полагает Тим Линден.
Но ученым предстоит еще сделать довольно много работы. Тим Линден и его коллеги-теоретики все еще пытаются как можно подробнее ответить на вопрос о том, каким же образом из темной материи возникает антигелий. Астрофизикам необходимо отыскать в космическом пространстве признаки антигелия; и если таковые все-таки будут обнаружены, то на следующем этапе необходимо будет определить, согласуются ли обнаруженные античастицы с гипотезами о темной материи. Эксперимент ALICEзакладывает основу для нового подхода, который поможет разгадать тайну темной материи, однако физикам еще предстоит проделать длинный и извилистый путь.