Темная материя составляет около 85% массы Вселенной, но ее природа остается одной из главных загадок физики. Две ведущие теории — аксионная и теория слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) — исходят из того, что темная материя существует в виде элементарных, неделимых частиц. Однако ее прямое обнаружение так и не состоялось.
Альтернативу предложила Джоселин Монро из Оксфордского университета. Около десяти лет назад она с коллегами стала изучать возможность того, что у темной материи может быть собственная ядерная физика. Согласно этой гипотезе темные частицы связываются друг с другом в ранней Вселенной, образуя крупные темные ядра, потенциально содержащие миллиарды составляющих.
Для проверки идеи коллаборация DarkSide использовала детектор DarkSide-50 в Национальных лабораториях Гран-Сассо в Италии — крупнейшем в мире подземном исследовательском центре. С 2013 по 2020 год прибор регистрировал слабые вспышки света, возникающие при рассеянии частиц темной материи на ядрах жидкого аргона. Ключевое отличие композитной темной материи от элементарных частиц в том, что она имеет конечный размер и может рассеяться в детекторе несколько раз за один проход. Для аксионов и вимпов взаимодействие дает лишь единичное рассеяние.
За семь лет работы DarkSide-50 не выявил прямых доказательств существования сверхтяжелой ядерной темной материи. Но результаты, опубликованные в Physical Review D, позволили исключить широкий спектр предполагаемых свойств таких композитов.
Интересная особенность этого результата заключается в том, что чувствительность зависит от свойств составляющих — «темных нуклонов», — что показывает, что внутренняя структура темной материи может иметь наблюдаемые последствия.
Отсутствие сигнала — не поражение, а сужение поля поиска. Если темная материя действительно состоит из сверхтяжелых композитов, будущие детекторы смогут изучать ее внутреннюю структуру подобно тому, как рассеяние света выявляет строение атомных ядер. Результаты показывают, что существующие эксперименты способны проверять кандидатов в темную материю, сильно отличающихся от привычных вимпов.
Ждать осталось недолго: в 2027 году коллаборация DarkSide планирует запустить DarkSide-20k — детектор с примерно в тысячу раз большим объемом жидкого аргона. По прогнозам Монро, это откроет долгосрочную возможность наблюдения сигнатур «темной химии», и физики получат инструмент для проверки куда более необычных гипотез о природе субстанции, составляющей львиную долю массы Вселенной.
Ранее Наука Mail рассказывала, насколько физики близки к поимке темной материи.