Летом 2012 года ученые Европейского центра ядерных исследований объявили об открытии ими бозона Хиггса, ставшего последним кирпичиком в стандартной модели Вселенной. Совершить этот переворот в науке физикам помог Большой адронный коллайдер. После того как бозон Хиггса, называемый также "частицей Бога", был обнаружен, ученые поставили перед собой еще более сложную и неуловимую цель — поиски темной частицы.
Что такое темная материя
Относительно недавно космологам удалось выявить одну довольно-таки странную вещь. Оказалось, что истинная масса Вселенной намного больше ее видимой массы, заключенной в газопылевых облаках и звездах. Из этого специалисты сделали один интересный вывод. По мнению космологов и физиков, во Вселенной существует материя, состоящая из неизвестных науке и неизученных пока частиц.
О существовании этой таинственной формы вещества ученые на настоящий момент могут, таким образом, судить только по косвенным признакам. Темная материя, как мы выяснили, добавляет массу Вселенной. Также ученые предполагают, что, скорее всего, именно из-за нее галактики движутся быстрее, чем это должно было бы быть.
Косвенных признаков существования во Вселенной темной материи имеется, таким образом, немало. Однако, к сожалению, до сих пор об этой форме вещества ученые знают только теоретически. Экспериментов, целью которых была "поимка" частиц темной материи, физиками было проведено несколько. При этом ни одно из этих исследований до сих пор успехом не увенчалось.
Недавно ученые заявили, что, возможно, найти наконец частицу темной материи можно будет с помощью Большого адронного коллайдера. «О том, что темная материя существует, мы знаем совершенно точно», - сказал профессор физики Чикагского университета Лиан Тао Ван - ученый, пользующийся в научном сообществе большим авторитетом и имеющий просто огромный опыт работы с Большим адронным коллайдером (LHC).
3 апреля этого года Лиан Тао Ван и еще несколько его коллег-физиков опубликовали в журнале Physical Review Letters статью, в которой изложили новую методику, которая позволит улавливать частицы темной материи, имеющие большую массу, в LHC.
Тяжелые частицы
Согласно общепринятой теории, более 80% Вселенной состоит именно из темной материи. Однако изучение этой распространенной формы вещества, по слова ученых, на настоящий момент напоминает поиски полтергейста. «Увидеть» темную материю, как отмечают физики, можно только тогда, когда она «сталкивает что-либо с полки».
Но шанс найти неуловимое вещество у человечества все же имеется, причем, по мнению специалистов, уже в ближайшем будущем. Как предполагают физики, в неуловимой темной материи могут присутствовать частицы, способные изредка взаимодействовать с обычной материей.
При этом ученым примерно известны и свойства подобных частиц. Во-первых, их отличает то, что они имеют большую массу. А во-вторых, такие составляющие темной материи должны отличаться еще и достаточно продолжительным сроком жизни - до одной десятой секунды.
Ученые предполагают, что несколько раз в десятилетие такие тяжелые частицы темной материи могут сталкиваться с протонами, создаваемыми LHC. При этом одной из особенностей темных частиц физики считают то, что они каким-то образом связаны с бозоном Хиггса. По мнению специалистов, последний является неким «порталом» в таинственный и неуловимый мир темной материи. Вполне возможно даже, что бозон Хиггса может распадаться на эти тяжелые частицы.
В чем заключается сложность
«Поймать» тяжелую темную частицу, как отмечают ученые, на самом деле довольно-таки сложно. Распад бозона Хиггса — событие, которое очень непросто отделить от других подобных. В 27-километровом коллайдере только за одну секунду происходит более миллиарда столкновений. При этом каждое из них посылает во всех направлениях субатомные выбросы. Но невыполнимой задачу поиска тяжелых частиц ученые все же не считают.
Новый метод
В своей статье, опубликованной Physical Review Letters, физики Чикагского университета, а также специалисты Университета штата Мэриленд предложили оригинальный и достаточно простой способ поиска частиц темной материи в Большом адронном коллайдере. Поскольку масса у таких частиц значительная, импульс в процессе их образования, требующим большого количества энергии, наверняка, будет довольно-таки длительным. В любом случае скорость его, скорее всего, не превысит скорости света.
По этой временной задержке импульс образования тяжелой частицы и можно будет отличить от всех других, возникающих при столкновении частиц. Таким образом, все что нужно будет сделать ученым для обнаружения темной материи — это настроить оборудование на поиск в коллайдере вновь образовавшихся частиц, распадающихся медленнее остальных.
Разница, по словам специалистов, в данном случае будет составлять всего какие-то наносекунды — миллиардные доли секунды или даже меньше. Однако особой проблемы для ученых такой короткий промежуток времени составлять не будет. Уже сегодня коллайдер оборудован детекторами достаточной сложности, чтобы уловить такое различие в скоростях распада. К тому же в ближайшем будущем ученые планируют сделать эти отслеживающие инструменты еще несколько более чувствительными.
Подготовка к эксперименту
Работа над созданием ловушки для тяжелых частиц, как сообщают ученые, началась уже сегодня. Сам эксперимент по обнаружению темной материи физики планируют провести в 2021 году. До этого времени в коллайдер, помимо всего прочего, будут внедрены три новых сверхточных датчика отслеживания.
«Мы считаем, что сделанные нами выводы с огромной долей вероятности могут быть правильными. А следовательно, шансы на «поимку» темной частицы в коллайдере имеются очень высокие», - сказал по этому поводу физик Чжэнь Лю из Университета Мэриленда, принимавший активное участие в разработке теории распада бозона Хиггса. «Если частицы темной материи существуют, мы просто обязаны их обнаружить», - заявил ученый.
Вместо заключения
Возможно, выводы, сделанные командой специалистов Чикагского университета и Университета Мэриленда, окажутся правильными. В любом случае будем надеяться, что через два года физикам на самом деле удастся найти таинственную темную материю, будоражащую умы исследователей вот уже несколько десятилетий.
