3 больших эксперимента, которые всё ещё не нашли то, что ищут

Громкие заголовки о больших открытиях могут создать ложное представление об учёных. Быть экспериментатором далеко не всегда весело. Иногда приходится годами ждать вожделенного результата и прикладывать героические усилия, чтобы его получить, но так и не достичь желаемого.

Отсутствие результата, однако, тоже результат, и в науке это верно как нигде. Если мы не смогли что-то обнаружить, это все равно даёт нам новые знания об окружающем мире и в конечном итоге приближает к разгадкам его тайн.

В этой заметке я решил рассказать о трёх больших экспериментах, которые идут уже довольно долгое время, но пока не дали никаких значимых результатов. Они всё ещё продолжаются, и возможно, однажды попадут на первые полосы газет, а их лидерам вручат Нобелевские премии, но велика вероятность, что в какой-то момент финансирующие их организации перестанут тратить на это направление деньги, и переключатся на другие актуальные задачи.

Пролить «ксеноновый» свет на тёмную материю

Тёмная материя — загадочная субстанция, обладающая заметной массой, но никак кроме гравитации не взаимодействующая со светом и обычным для нас веществом. О её существовании мы знаем по целому ряду косвенных признаков из наблюдений за галактиками и Вселенной в целом.

Одна из популярных гипотез утверждает, что тёмная материя состоит из ещё неизвестных науке частиц, которые очень слабо взаимодействуют с привычными нам частицами — электронами, протонами и нейтронами. Есть несколько вариантов того, какие параметры у этих частиц, но самые популярные кандидаты — это вимпы (от англ. WIMP, Weakly Interacting Massive Particles, слабо взаимодействующие массивные частицы).

Для поиска вимпов люди построил специальные детекторы, главной частью которых является жидкий ксенон, находящийся при температуре −108 °C. Самые крупные из них — XENON1T в Италии, LUX в США и PANDAX-II в Китае. Масса рабочего тела XENON1T составляет 2 тонны! У LUX — около 300 кг, а у PANDAX-II чуть больше 500. При этом XENON1T окружён ещё 1,5 тоннами ксенона для защита от внешнего облучения, а LUX для этой цели использует 260 тонн воды.

Внешний вид XENON1T. © The XENON collaboration
Внешний вид XENON1T. © The XENON collaboration

Эти детекторы ведут свою работу с конца 2000-х годов, постепенно увеличивая массу используемого ксенона, и уже достигли чувствительности, которой должно хватать, чтобы увидеть вимпы из самых простых и элегантных теорий. Но ничего не видят.

Уже принято решение об увеличении LUX до 7 тонн в так называемом проекте LUX-Zeplin, но хватит ли этого для обнаружения чего-нибудь — вопрос открытый.

Гравитационные остатки Большого взрыва

Ещё один эксперимент, пытающийся разгадать тайны Вселенной на космических масштабах — BICEP. Его целью является поиск так называемых реликтовых гравитационных волн — небольших возмущений пространства, оставшихся со времён Большого взрыва.

Чтобы их обнаружить, в этом эксперименте изучают «слепок» нашей Вселенной, оставленный миллиарды лет назад в виде реликтового микроволнового фона. Обнаруженный около 60 лет назад он является одним из главных источников сведений о том, как выглядела молодая Вселенная.

Температурная карта микроволнового космического фона. © WMAP
Температурная карта микроволнового космического фона. © WMAP

Последний апгрейд, названный BICEP3, состоит из 2500 детекторов-болометров, которые измерят микроволновый космический фон на значительно меньших частотах, чем это было сделано до этого. Это очень тонкие эксперименты, тем не менее их точность уже близка к той, что согласно теории достаточна для обнаружения эффекта.

Если это открытие произойдёт, то мы сможем узнать больше не только о Большом взрыве, но и, возможно, о том, что было до него. Самые ранние моменты жизни нашей Вселенной описывает так называемая инфляционная теория, и реликтовые гравитационные волны станут главным её подтверждением.

Распад протона как признак большого объединения теорий

Наиболее фундаментальной теорией элементарных частиц на данный момент является Стандартная модель, которая на самом деле состоит из двух во многом похожих, но всё же разных теорий — теории электрослабых взаимодействий, которая объясняет электромагнетизм и радиоактивный распад ядер и нейтронов, и теории сильных ядерных взаимодействий, которая объясняет, как устроены ядра.

Многие учёные уверены, что обе эти теории должны быть объединены в одну, аналогично тому, как, например, электричество и магнетизм были объединены в электромагнитную теорию. Однако такое объединение предсказывает существование новых частиц и эффектов. Их и пытаются искать экспериментально.

Одним из предсказанных эффектов является самопроизвольный распад протона. Для его поиска были построены громадные детекторы, заполненные водой — самым распространённым веществом с большим содержанием водорода и, как следствие одиночных протонов (ядро водорода, как известно, и представляет собой протон).

Самым большим подобным детектором является японский Super-Kamiokande, который вскоре должен быть улучшен до Hyper-Kamiokande. Он расположен на глубине около 1 км под землёй и содержит 50 000 тонн исключительно чистой воды.

Учёные в лодке внутри Super-Kamiokande.
Учёные в лодке внутри Super-Kamiokande.

На сегодняшний день с его помощью установлено, что если протон и распадается, то время его жизни составляет совершенно немыслимые 10³⁴–10³⁶ лет. Этого, однако, всё ещё недостаточно, чтобы исключить многие из теорий великого объединения, но чувствительность Hyper-Kamiokande будет в 10 раз выше, и он этот результат улучшит. Свою работу, как планируется, он начнёт в 2020 году.

Читайте также

Как теория гравитации Эйнштейна завоевала мир

Насколько масштабна Вселенная?

Почему мы поверили в тёмную материю?

Подписывайтесь также на мой телеграм-канал!