Несмотря на все достижения астрономии, человечество понимает лишь крошечную часть космоса. Привычная нам материя — звёзды, планеты, газ — составляет всего около 5% Вселенной. Остальные 95% приходятся на загадочные тёмную материю и тёмную энергию, природа которых остаётся одной из величайших научных загадок. Учёные по всему миру, включая команду доктора Рупака Махапатры из Техасского университета A&M, разрабатывают передовые технологии, чтобы приоткрыть эту тёмную завесу.
Тёмная материя, на которую приходится примерно 27% космоса, не излучает, не поглощает и не отражает свет, но её гравитация удерживает галактики вместе и формирует крупномасштабную структуру Вселенной. Тёмная энергия, составляющая около 68%, является движущей силой ускоряющегося расширения пространства. Поскольку наблюдать эти компоненты напрямую невозможно, исследователи изучают их по гравитационному влиянию на видимые объекты.
Чтобы поймать неуловимые частицы тёмной материи, группа Махапатры создаёт экстремально чувствительные полупроводниковые детекторы, оснащённые криогенными квантовыми сенсорами. Основная сложность в том, что эти гипотетические частицы взаимодействуют с обычным веществом невероятно редко — возможно, раз в год или даже в десятилетие. Помимо классических кандидатов, таких как WIMP (слабовзаимодействующие массивные частицы), учёные рассматривают и другие гипотетические частицы. Среди них — лёгкие аксионы, стерильные нейтрино, тёмные фотоны, а также массивные компактные объекты (MACHO) и первичные чёрные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной. Задача технологий — зафиксировать эти единичные события, усилив сигнал, который ранее тонул в шуме.
Работа ведётся в рамках глобальных коллабораций. Махапатра более 25 лет участвует в эксперименте SuperCDMS, одном из самых чувствительных в мире по поиску тёмной материи. Этот и подобные эксперименты по прямой детекции часто проводятся в глубоких подземных лабораториях. Такое расположение обеспечивает экранирование от космических лучей и других источников фонового излучения, что значительно снижает "шум" и повышает чувствительность детекторов к редким взаимодействиям. В 2014 году он и его коллеги совершили прорыв, внедрив метод вольтажной калориметрической ионизационной детекции, который позволил начать поиск лёгких WIMP. Университет также входит в число участников нового перспективного эксперимента TESSERACT.
По словам Махапатры, ни один эксперимент не даст окончательного ответа. Необходима синергия различных методов: прямой детекции в подземных лабораториях, косвенных наблюдений в космосе и поисков на ускорителях частиц. Разгадка тайны тёмной материи может переписать фундаментальные законы физики и привести к технологическим инновациям, которые сегодня сложно даже представить.
Источник: Scientists are closing in on the Universe’s biggest mystery