Тьма боится сладкого: учёные пробуют поймать тёмную материю с помощью сахара

Темная материя — загадочный компонент Вселенной, который, по расчетам астрофизиков, составляет около 85% всей материи. Мы не видим ее напрямую, но чувствуем её гравитационное воздействие: галактики вращаются слишком быстро, чтобы удерживаться только за счет видимого вещества. Именно это "невидимое" вещество и назвали тёмной материей.

Недавний эксперимент, проведённый в Институте физики Общества Макса Планка, предложил неожиданно поэтичный способ поиска невидимого — с помощью… сахара.

Когда сладкое становится научным инструментом

Физики решили вырастить гигантские кристаллы сахарозы, чтобы использовать их как детектор частиц тёмной материи. Почему именно сахар? В его составе много лёгких атомов, включая водород — а именно с лёгкими элементами гипотетические частицы тёмной материи, так называемые вимпы (WIMPs, weakly interacting massive particles), должны взаимодействовать особенно заметно.

Чтобы исключить все внешние помехи, исследователи охладили кристаллы до температуры всего 0,007 °C выше абсолютного нуля. Такой холод снижает внутренние колебания вещества, что делает эксперимент более точным.

Как работает "сахарный детектор"

Идея проста, но гениальна: если частица тёмной материи столкнётся с атомом в кристалле, она передаст ему часть энергии. Это вызовет микроскопическую вспышку тепла или света, которую можно зарегистрировать с помощью термометра и фотонного сенсора.

Эксперимент длился 19 часов, но за всё это время учёные не зафиксировали ни одного надёжного сигнала, который можно было бы приписать тёмной материи.

"Установка обладает выдающейся чувствительностью и может фиксировать даже крайне слабые взаимодействия", — отметил физик Карлос Бланко из Университета штата Пенсильвания.

Однако, по словам учёного, пока остаётся открытым вопрос, как надёжно исключить другие источники света, например радиоактивный углерод-14, который может присутствовать в самом сахаре.

Сравнение

Советы шаг за шагом

1. Выберите подходящий материал. Для регистрации лёгких частиц требуются лёгкие элементы — водород, углерод, кислород.

2. Создайте чистую среду. Даже малейшие следы радиоактивных изотопов могут исказить результаты.

3. Охладите образцы. Температуры, близкие к абсолютному нулю, позволяют уловить мельчайшие вспышки энергии.

4. Используйте чувствительные сенсоры. Термисторы и фотонные детекторы должны регистрировать энергию на уровне отдельных фотонов.

5. Проверяйте фоновое излучение. Контроль над радиоактивностью окружающей среды — ключ к чистым данным.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: использование сахара, содержащего изотоп углерод-14.
  Последствие: ложные сигналы и искажение данных.
  Альтернатива: применение химически очищенного изотопно-чистого сахара или синтетических аналогов.

• Ошибка: слишком короткая длительность эксперимента.
  Последствие: малая вероятность зафиксировать редкое событие взаимодействия.
  Альтернатива: увеличить время наблюдения до недель или месяцев.

• Ошибка: недооценка влияния фоновых шумов.
  Последствие: пропуск реального сигнала на фоне помех.
  Альтернатива: проводить эксперимент в подземных лабораториях с экранированием от радиации.

А что если…

…тёмная материя вовсе не состоит из вимпов? Многие физики сегодня склоняются к мысли, что искать её нужно не только среди частиц, но и в изменённых формах гравитации или даже новых измерениях пространства. Если сахар не поможет, возможно, подсказку даст не химия, а сама геометрия Вселенной.

Плюсы и минусы

Мифы и правда

• Миф: сахарный детектор был просто шуткой учёных.
  Правда: эксперимент проводился по всем научным стандартам и опубликован в научном журнале.

• Миф: отсутствие сигнала доказывает, что тёмной материи нет.
  Правда: это лишь означает, что данный метод не обнаружил взаимодействий в пределах своей чувствительности.

• Миф: тёмная материя обязательно состоит из вимпов.
  Правда: существует множество других гипотез — от аксионов до скрытых полей.

Исторический контекст

Первые догадки о существовании тёмной материи появились в 1930-х годах, когда астроном Фриц Цвикки заметил, что галактики в скоплении Кома движутся слишком быстро. Позже Вера Рубин подтвердила этот эффект, наблюдая вращение звёзд вокруг центров галактик.

С тех пор физики построили десятки подземных лабораторий, охотясь за невидимыми частицами. Но пока ни один детектор — ни гигантские резервуары с ксеноном, ни сверхпроводящие ловушки — не зафиксировал прямого контакта с тёмной материей.

Сахарный эксперимент — лишь одна из множества попыток поймать неуловимое.

FAQ

Зачем использовать сахар для поиска тёмной материи?
Потому что он содержит лёгкие атомы, подходящие для взаимодействия с лёгкими вимпами, и относительно прост в выращивании и охлаждении.

Почему кристаллы нужно охлаждать почти до абсолютного нуля?
Чтобы устранить тепловые колебания, которые мешают уловить слабые сигналы от частиц.

Можно ли повторить такой эксперимент дома?
Нет, для этого требуется лабораторное оборудование, сверхнизкие температуры и защита от радиации.

Что будет дальше?
Учёные планируют увеличить масштаб эксперимента, использовать более чистый сахар и улучшить изоляцию от фона.

Три интересных факта

• Кристаллы сахарозы впервые использовались в физическом эксперименте как основной детектор, а не вспомогательный материал.

• При охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, сахар становится твёрже, чем сталь.

• Учёные выбрали сахар не только из-за его состава, но и потому, что он легко кристаллизуется в форму, подходящую для оптических измерений.