velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

За гранью света

На собственных страничках «ПМ» уже говорила о таинственных частичках нейтрино, для исследования которых строят подводные, подземные и даже подледные установки. Полностью может быть, что у нейтрино есть и другие нейтральные собратья. И хотя про их фактически ничего не понятно, ученые не оставляют пробы найти их следы при помощи сверхчувствительных сенсоров.





Миллионы звезд, видных невооруженным глазом, и млрд светящихся объектов, наблюдаемых в телескопы, это далековато не все, чем заполнена Вселенная. Еще в 1930-х годах при наблюдениях за движением звездных скоплений появилось подозрение, что мы лицезреем только малозначительную часть галлактических объектов. Следующие кропотливые измерения только подтвердили эти догадки. Например, если взять объект, расположенный на краю какой-либо галактики, и найти скорость его движения вокруг центра, то по формуле для первой галлактической скорости можно вычислить массу притягивающего тела, другими словами самой галактики. Эту же массу можно высчитать на базе наблюдений за другим объектом, находящимся далековато за видимой границей этой же галактики, но тоже вращающимся вокруг нее. Когда такие измерения были проделаны, оказалось, что два результата не совпадают и 2-ая масса практически в 10 раз больше первой. Это означало, что вокруг светящихся тел галактик есть большие короны (либо гало) из невидимого темного вещества, которые содержат ни мало ни много – 90% массы этих галлактических объектов.


Потаенна, покрытая мраком


Черное вещество не испускает никаких электрических волн, в том числе и света, а поэтому найти его можно только по создаваемому им гравитационному воздействию на другие объекты. Оно составляет основную массу не только лишь отдельных галактик, да и их больших скоплений. И, возможно, заполняет большие места меж скоплениями галактик.


До сего времени не ясно, из чего состоит черная материя, а перечень вероятных кандидатов включает как мощные темные дыры, еще тяжелее Солнца, так и гипотетичные простые частички, более легкие, чем электрон. Как написано в одной из научных книжек по астрофизике, «спектр вероятных претендентов на роль черной материи ограничен не столько какими-то физическими критериями, сколько нашим воображением и допустимыми теоретическими представлениями». Самое обычное разъяснение заключается в том, что во Вселенной просто сильно много обычных мерклых либо прохладных объектов, невидимых в телескопы: планет, карих и белоснежных карликов, темных дыр. Эти мощные источники сокрытой массы, нареченные MACHO, пробуют отыскать по создаваемому ими эффекту гравитационной линзы при помощи астрономических наблюдений.


Гости из космоса


Другие кандидаты на роль черной материи еще легче и меньше. Полностью возможно, что наша Вселенная заполнена огромным числом еще неведомых нам простых частиц, путешествующих по ее просторам со времен Огромного Взрыва. Эти частички так слабо (по другому говоря, изредка) ведут взаимодействие с обыденным веществом, что с трудом поддаются детектированию. Они получили заглавие WIMP-частиц (Weakly Interacting Massive Particles – слабо взаимодействующие мощные частички). Это могут быть какие-то новые виды нейтрино, а может, гипотетичные нейтралино, гравитино, фотино либо аксионы, которые возникают в разных теориях.


Если эти галлактические путники вправду есть, на пути их следования наверное окажется земная лаборатория. Но найти их возникновение не так просто. Подобно обыденным нейтрино, они без усилий пронизывают земной шар, не взаимодействуя с зарядами и не ионизируя вещество. Про их отношения с другими частичками и ядрами мы ничего не знаем и не можем приготовить стопроцентную ловушку: ведь чтоб задать вопрос, необходимо знать огромную часть ответа. И все же у нас есть шансы выйти на след.


Партия в бильярд


Не во всех столкновениях простых частиц непременно происходят какие-то перевоплощения. Время от времени частички просто сталкиваются вместе и разлетаются в различные стороны, оставаясь самими собой. Могут поменяться только их скорости и направление движения, как у столкнувшихся бильярдных шаров. Путешествующие по Вселенной частички черной материи (если они вправду есть) должны время от времени натыкаться на ядра вещества. Если у частички довольно энергии, ядро просто двинется с места и, перемещаясь, вызовет ионизацию и колебания решетки (фононы), что и будет служить сигналом о столкновении.


Подразумевается, что частички черной материи передают ядрам вещества маленькую энергию, да к тому же и делают это довольно изредка. Частота таких попаданий может составить приблизительно одно событие на килограмм рабочего вещества сенсора за 10 дней (а по другим расчетам – даже за целый год!), хотя по неким оценкам каждую секунду через каждый квадратный сантиметр окружающего места может пролетать порядка 100 000 WIMP-частиц. А ведь окружающий нас мир заполнен и другими частичками и излучениями, которые, в отличие от гипотетичных частиц черной материи, еще охотнее ведут взаимодействие с веществом сенсора и делают фон, на котором очень трудно увидеть нужный сигнал.


Если сенсор установить на поверхности Земли, то через каждый его квадратный сантиметр приблизительно каждые 10 секунд будет пролетать галлактический мюон. По этой причине приходится располагать установки глубоко под землей и использовать сверхчистые материалы и дополнительную защиту от естественной радиоактивности.


Итак, если черная материя все таки состоит из неведомых простых частиц, если этих частиц довольно много вокруг нас, если они владеют достаточной энергией, то у нас есть шанс увидеть это... если получится отыскать подходящий сенсор.


Криогенные сенсоры


Поначалу для поиска WIMP-частиц использовались сенсоры, регистрирующие только ионизацию, которая составляет меньше половины полезного сигнала, при том, что основная часть переданной энергии преобразуется в колебания кристаллической решетки и вызывает нагрев сенсора. Но этот нагрев так мал, что найти его при комнатной температуре совсем нереально. Другое дело – криогенный сенсор, охлажденный до 50 мК (мК – одна тысячная градуса Кельвина). Согласно отлично известному закону о теплоемкости тел, при температурах, близких к абсолютному нулю, нагрев происходит еще эффективнее: та же энергия, которая нагревает вещество при комнатной температуре на одну десятитысячную градуса, нагреет его при температуре водянистого гелия (4,2 К) практически на целый градус! А если снизить температуру до 50 мК, чувствительность вырастет еще в полмиллиона раз! Потому криогенный калориметр способен еще лучше «чувствовать» слабенькие сигналы, вызванные столкновениями с гостями из космоса.


Так случилось, что первым криогенным сенсором ненамеренно стал обычный низкотемпературный указатель температуры. Летом 1974 года на научной конференции по водянистому гелию появилось сообщение об одном увлекательном наблюдении, которое начиналось такими словами: «До этого времени эффекты нагрева за счет галлактических частиц не рассматривались всерьез». Следя за поведением указателя температуры при температуре 15 мК, создатель сообщения, Т. Нииникоски, нашел, что указатель температуры приблизительно каждые три минутки дает скачки температуры на несколько мК. Проведя расчеты, он сделал вывод, что его нагревают прилетающие из космоса заряженные частички. При этом определять можно было только ночкой, так как деньком охладить указатель температуры ниже 20 мК не удавалось. В сообщении вообщем не было речи о сенсорах, а говорилось, что галлактические частички могут заносить приметные преломления в работу установок при низких температурах. Но мысль лежала на поверхности, и скоро стало ясно, что таковой низкотемпературный детектор-калориметр может посодействовать в обнаружении редчайших событий с малым выделением энергии, к примеру с ролью нейтрино.


На данный момент криогенные сенсоры – один из главных инструментов для поиска частиц черной материи. В мире есть несколько лабораторий, занятых такими исследовательскими работами, а именно Государственная лаборатория Гран-Сассо в Италии. Установка CRESST в Гран-Сассо находится приблизительно в полутора километрах под землей, где поток фоновых галлактических мюонов в миллион раз слабее, чем на поверхности. Сам сенсор представляет собой набор из цилиндрических кристаллов шеелита (CaWO4) поперечником 4 см и таковой же высоты и весом по 300 гр. Это вещество избрали поэтому, что оно является люминофором и способно сиять при ионизации. Таким макаром сенсор регистрирует весь сигнал от столкновения: и излучение за счет ионизации, и нагрев. Каждый кристалл совместно со своим сверхпроводящим указателем температуры и сенсором излучения окружен зеркальной оболочкой. Они все закрыты 2-мя кожухами для защиты от фоновых излучений: шириной 14 см из специальной незапятанной меди и шириной 20 см из сверхчистого свинца. Вся эта конструкция находится в криостате и охлаждена до 10 мК. Регистрируя сразу излучение и нагрев, можно отделить фоновые действия, так как при движении ядра основная часть энергии перебегает в нагрев, а при движении фоновых электронов либо гамма-квантов – в излучение. Пока в пробных опытах были применены всего два кристаллических модуля с поэтическими наименованиями «Юлия» и «Дези», а всего их планируется установить 33 штуки.


Пока только одна группа с итальянского сенсора DAMA годом ранее объявила о наблюдении событий, схожих на проявление черной материи, но на других установках эти данные не отыскали доказательства. Так что черная материя пока укрыта не только лишь от наших глаз, да и от чувствительного ока наших хитроумных сенсоров.


Темнее темного


Есть и другие догадки о причинах возникновения сокрытой массы. А если в галактических масштабах нарушается закон тяготения Ньютона? Тогда не верны формулы для галлактической скорости, при помощи которых получили не совпадающие значения масс, а означает, это ошибка и никакой сокрытой массы совсем нет. Такая догадка, как и многие другие, имеет право на существование, вот только проверить ее еще труднее, чем изловить частичку черной материи.


Но вы глубоко ошибаетесь, если думаете, что, разгадав тайну сокрытой массы, мы будем знать о Вселенной все. Похоже, главный источник энергии и движения во Вселенной – не звезды и даже не черная материя, а вакуум, та «пустота», вокруг которой еще в древние времена велись философские споры. Существует ли пустота? Реальная, в какой полностью ничего нет? Последователи Демокрита – атомисты – считали, что все состоит из частичек – атомов, передвигающихся в совсем пустом пространстве, а известный Аристотель утверждал, что существование абсолютной пустоты нереально. Пригодились тысячелетия, чтоб изучить строение материи, выяснить об атомах и сконструировать понятие вакуума, который заполняет огромную часть и микроскопичного места меж частичками вещества, и звездного места в галлактических масштабах. Казалось, чаша весов склонилась в пользу атомистов. Но при более кропотливом рассмотрении вакуум оказался не так пуст, как предполагалось. Экспериментальные заслуги современной физики и астрономии, также теоретические модели, которые изменили наше представление о вакууме, не имеют ничего общего с резонами Аристотеля, но в одном они сходятся: вакуум – это не абсолютная пустота. В нем энергия не просто есть – ее больше, чем где бы то ни было. 70% всей энергии нашей Вселенной заключено конкретно в вакууме.


Но невзирая на умеренную по сопоставлению с вакуумом роль черной материи, разобраться с ней все таки стоит. И если все-же получится изловить частички черной материи, мы перестанем чувствовать себя в пустоте, так как черные просторы Вселенной наполнятся не наименьшим смыслом, чем калоритные звезды ночного неба.






Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments