Как испачкаться темной материей

Темная материя — это что-то очень непонятное. Поэтому, чтобы не пугать народ с первых же слов, начнем со школьной задачки.

Задачка. На улице идет дождик (без ветра). Один мужик простоял под дождем целую минуту (ну, не заметил он дождя). А другой эту же минуту бежал, как угорелый (видимо, под навес). Который из мужиков сильнее промок?

Решение. Можно не заморачиваться с векторами, а объяснить все на пальцах. Вот, например, если бы дождь вовсе не падал вниз, а висел бы в воздухе неподвижно? Тогда мужик, который неподвижно тупил, совсем бы не промок — капельки бы с ним не встретились. А вот стоит мужику двинуться сквозь капельки — и все, уже мокрый. И чем быстрее ты бежишь сквозь капельки, тем больше капелек на себя соберешь.

Теперь, если дождь не висит, а как-то идет (сверху вниз, снизу вверх, хаотично в разные стороны, только бы не вдоль траектории мужика) — результат не изменится. Мужик, который бежит сквозь дождь, соберет на себя дополнительные капли.

Теперь допустим, что мы не знаем, дождь ли там на улице, или просто дети стреляют из водяного пистолета, или поливальная машина случайно проехала. Как узнать, что это именно дождь? Выпустим двух мужиков с инструкциями: одному бежать, другому стоять смирно. Если бегущий промок сильнее, скорее всего, все дело в дожде. А если нет, то, может, они просто оба попали под поливальную машину или искупались в фонтане, то есть никакой закономерности нет, а есть какие-то досадные случайности.

Вот ровно эти соображения легли в основу одного эксперимента по поискам темной материи.

Теперь о самой темной материи. Ее открыли уже лет сорок назад, но никто до сих пор не знает, что это такое. Фокус в том, что масса галактик оказалась раз этак в пять больше, чем суммарная масса всего, что мы в этих галактиках видим (звезды, газ, пыль и т. п.). То есть вокруг нас болтается какая-то невидимая дрянь, которой очень много, но она ни в чем себя не проявляет, кроме гравитации. Мы писали о темной материи пару раз, когда это приходилось к слову. Но ничего особо интересного не написали, потому что про материю эту физики ничего пока не знают.

Чтобы про нее что-то узнать, надо для начала ее как-то зарегистрировать. И вот еще в 1986 году группа физиков придумала, как именно.

Как? А ровно как в нашей задачке про дождь.

Темная материя притягивается к нашей галактике, поэтому она должна образовывать этакий сгусток с центром в центре галактики. Сгусток называется «гало темной материи». Мы, собственно, находимся внутри этого сгустка. А значит, частицы темной материи должны иногда сталкиваться с нашими обычными частицами. Например, влетая в кристалл иодистого натрия, они должны вызывать вспышки света, которые ничего не стоит зарегистрировать.

Но на свете есть множество дряни, которая может ударяться о кристалл иодистого натрия и вызывать вспышки света. Тут-то мы и вспомним историю с дождем. Дело в том, что мы не просто живем среди темной материи: мы сквозь нее летим. Солнце летит по своей орбите вокруг галактического центра со скоростью 217 км/сек. А Земля несется по орбите вокруг Солнца со скоростью 30 км/сек. Причем в июне Земля летит в ту же сторону, что и Солнце: в сумме скорость будет почти 250 км/сек. А в декабре солнышко поворачивает в противоположном направлении, и скорость получается всего 187 км/сек. Разница заметная.

А значит, в июне мы должны промокать быстрее. То есть в нашем случае капли темной материи, что бы это ни было, должны чаще стукаться в наш кристалл иодистого натрия.

Ровно это и проделали итальянские физики десять лет назад на детекторе DAMA, который спрятан в недрах хребта Гран-Сассо к востоку от Рима. И увидели они то, что хотели увидеть: в июне вспышек было больше.

Наконец, последняя часть рассказа — о том, какие эти физики зануды. Нет бы открыть шампанское и порадоваться, что темная материя есть. И забыть о ней, заняться чем-то повеселее. Но это вообще не в их стиле. Как только эмоциональные итальянцы сообщили о своем сногсшибательном открытии, физики из других мест тут же стали пытаться воспроизвести результат.

И не воспроизвели.

И тут бы опять нормальные люди засвистели на итальянцев, зашикали, захихикали и забыли бы об их сенсации. Но не физики. Они, видите ли, не могут списать в утиль результат эксперимента (повторяющегося, кстати, с тех пор ежегодно), пока не объяснят, в чем там ошибка — или не научатся воспроизводить этот результат. Некоторые, например, подумали, что вся сила именно в кристалле иодистого натрия — все остальные детекторы использовали другие кристаллы.

И вот плоды занудства. Вот прямо сейчас сразу в трех местах заработали или готовятся к пуску детекторы — ровно такие же, как DAMA, с иодидом натрия (его не так просто очищать до нужной степени безупречности, потому так долго с этим и тянули). Один эксперимент начинается вот сейчас в Южной Корее. Другой эксперимент — ANAIS — будет проведен в испанских Пиренеях. Наконец, третий проект — SABRE — будет гонять для пущей надежности целых два детектора. Один — в австралийской пустыне Виктория, в заброшенной шахте золотодобытчиков. А другой — опять же под горой Гран-Сассо, чтобы, в случае чего, итальянцы не выкрутились ссылками на территориальную эксклюзивность.

Все эти прекрасные люди, равно как и зачинатели всей бузы — итальянцы, намерены году этак в 2017-м порадовать мир новыми данными. То есть или подтвердить первоначальный результат, или окончательно его похоронить.

Что будет, если его подтвердят? Во-первых, это будет первое чисто экспериментальное свидетельство, что темная материя и правда есть (если не считать астрономических наблюдений и космологических спекуляций). Во-вторых, вся эта идея с дождиком, под которым мокнет детектор, основана на определенном предположении о свойствах темной материи (если для вас это не пустые слова — на том, что она состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц). Так что ученые не только заарканят темную материю, но и узнают о ней кое-что конкретное.

А что будет, если результат не подтвердится? А ничего. Темная материя-то все равно, видимо, есть, то есть как-то надо ее объяснять. Беднягам физикам придется собраться с мыслями и объяснить ее по-другому. И придумывать новые эксперименты, чтобы эту самую материю как-то поймать.

Это будет, видимо, нелегко. С другой стороны, не будем сбрасывать со счетов тот кайф, который мировое сообщество испытает, поставив на место итальянских выскочек. Видимо, в голове у физиков одно как-то уравновешивает другое, потому что они полны решимости наконец-то внести в эту историю окончательную ясность. А мы будем держать вас в курсе.

(Историю всех этих непонятных детекторов, без объяснялки про дождь, но зато с цитатами из вовлеченных в проекты ученых, можно прочитать по-английски в Nature.)