Күңгірт материя – галактикаларды бір-бірімен байланыстырып тұрған, көзге көрінбейтін әрі ұстау мүмкін емес заттек. LUX-ZEPLIN детекторы тіркеген көмескі сигнал бөлшектің алғаш рет тіркелгенін білдіруі мүмкін.
Фотосурет: Мәтью Капуст, Сәнфорд жерасты зерттеу орталығы
Авторы: Робин Жорж Эндрьюс
2023 жылғы 16 маусымда жер бетінен шамамен бір жарым километр тереңдікте жұмбақ әрі тылсым құбылыс тіркелді. Бұл кәдімгі бөлшектердің өзара қалыпты соқтығысуы да болуы мүмкін еді. Алайда биыл 1 қыркүйекте физиктер бұл құбылыс бұрын-соңды байқалмаған күңгірт материяның жұмбақ бөлшегінен туындауы 99,5 пайыз ықтимал екенін мәлімдеді.
Күңгірт материя бүкіл ғарышты біріктіріп тұратын көзге көрінбейтін «желім» деп саналады. Ол болмаса бізді қоршаған кәдімгі, көзге көрінетін материя ғаламды қалыптастыратын іргетасқа айнала алмас еді. Дегенмен оны тікелей бақылау мүмкін болмағандықтан, ғалымдар күңгірт материяның нақты қандай бөлшектен тұратынын, тіпті оның бөлшектері бар-жоғын әлі күнге дөп басып айта алмайды.
Зерттеушілер ондаған жыл бойы бөлшектердің өзін емес, олардың кәдімгі материяда қалдырған іздерін – қабырғадағы көлеңке немесе құмдағы аяқ ізі тәрізді жанама белгілерін іздеп келеді. Оңтүстік Дакотадағы Сәнфорд жерасты зерттеу орталығында тіркелген әлгі әлсіз соқтығысу – күңгірт материяның шынымен де бөлшектерден, нақтырақ айтқанда, «әлсіз әрекеттесетін массив бөлшектерден» (Weakly Interacting Massive Particles – WIMP) тұратынын дәлелдейтін осы кезге дейінгі ең айқын белгі болуы мүмкін.
«Бұл жаңалық бізді қуантқанымен, сақтық танытқанымыз да жөн», – дейді осы зерттеуге қатысқан көптеген маманның бірі, Стәнфорд университетінің бөлшектер физигі Дәниел Акериб.
Бұған дейін де бірқатар тәжірибе барысында күңгірт материя бөлшектері тіркелгендей болған, бірақ олардың ешбірі түбінде расталған жоқ. WIMP сигналын нақты растау үшін зерттеушілерге қосымша деректер қажет. Лондон колледж университетінің физигі әрі зерттеу тобының тағы бір мүшесі Чамкаур Гаг: «Бұл дәлел емес, бар болғаны қызығушылық тудыратын ауытқу ғана», – дейді. Дегенмен ғалымдар осындай оғаш соқтығысуларды көбірек тіркесе, күңгірт материяның табиғатын ашуға бағытталған ғасырға жуық ізденіс ақыры аяқталуы мүмкін.
Фотосурет: Мәтью Капуст, Сәнфорд жерасты зерттеу орталығы
Күңгірт материяның көмескі құпиясы
Бізге ғаламды қарапайым материя билеп-төстеп тұрғандай көрінеді. Бірақ 1930 жылдары көзге көрінбейтін масса ретінде болжанып, ал 1970 жылдары ерекше бөлшек болуы мүмкін деп тұжырымдалған күңгірт материя ғаламдағы бүкіл материяның 85 пайызын құрайды. Мұндай тұжырым көзге көрінетін ғаламға жасалған сансыз бақылау мен галактикалардың пішінін қалыптастырып тұрғандай көрінетін тартылыс күштерін есептеуге негізделіп жасалған.
«Біз күңгірт материяның бар екенін білеміз, – дейді Ирвайн Калифорния университетінің бөлшектер физигі Дәниел Уайтсон. – Бұған бір-біріне тәуелсіз бірнеше айғақ бар». Жұлдыздар қарапайым материя мен оның гравитациясының әсерінен ғана тұтанбас еді. Ал айналып тұрған галактикалар күңгірт материяның күшінсіз жан-жаққа шашырап кетер еді. Сондай-ақ жарықтың ғарыштағы көзге көрінбейтін галолардың жанынан өткенде қисаюы – гравитациялық линзалау деп аталатын процесс – тек орасан зор көлемде күңгірт материя болғанда ғана қисынды.
«Космологтерге күңгірт материясыз ғаламды, дәлірек айтсақ, ғаламның моделін құрастырып шығу өте қиын, – дейді Акериб. – Ал күңгірт материя дегеніміздің өзі не нәрсе?»
Күңгірт материя бүкіл жерде болуы мүмкін, бірақ ол жарықпен әрекеттеспейтіндіктен көзге түспейді. Бірақ оның гравитациямен әрекеттесетіні анық, демек күңгірт материяның массасы бар әрі ол бөлшек түрінде болуы ықтимал.
Бұған дейін осы тылсым құбылысқа «кінәлі» деп түрлі «күдікті» ұсынылған. Алайда «ең қарапайым теория болғандықтан, WIMP бөлшектері үнемі көш бастап тұр», – дейді Уайтсон. Бұл бөлшектер өте ауыр әрі баяу қозғалатынына қарамастан, қарапайым материяның ішінен еш кедергісіз дерлік өтіп кете береді деп есептеледі. Дегенмен мұнда «дерлік» деген сөзді қолданғанымыз бекер емес. Өйткені өте сирек жағдайда олар қарапайым элементтің атомының ядросына келіп соқтығысуы мүмкін.
Алайда WIMP пен қарапайым бөлшектер арасындағы мұндай «қақтығыстардың» сиректігі соншалық, оны өте сезімтал детекторлар ғана тіркей алады. Талай жылдан бері әлемнің түкпір-түкпіріндегі зерттеушілер күңгірт материя бөлшегінің қарапайым атомға «абайсызда соғылған» сәтін ұстап қалу үмітімен өз құрылғыларын үлкейтіп, технологиялық тұрғыдан жетілдіріп келеді.
«Бірақ олар күңгірт материяның ешқандай ізін байқаған емес», – дейді Уайтсон.
Бәлкім тек бұған дейін байқамаған шығар.
Оңтүстік Дакотадағы жерасты ізденісі
WIMP сигналы болуы мүмкін дүмпуді тіркеген тәжірибе құрылғысы LUX-ZEPLIN деп аталады (физиктер оны өз арасында қысқаша LZ дейді). Оның «жүрегі» – сұйық ксенонға толы резервуар. «Ксенон – тамаша нысана», – дейді Калифорниядағы SLAC Ұлттық үдеткіш зертханасының бөлшектер физигі әрі LZ зерттеу тобының мүшесі Әнн Уаң. Оның бір себебі, ксенон жарқыл шығарып, «отшашу» жасағанды жақсы көреді.
Егер беймәлім бөлшек осы резервуарға ұшып кіріп, ксенон атомының ядросына соғылса, ол жарқ етеді де, резервуардың жоғарғы бөлігіне электрондарды бөліп шығарады. Ал жоғарыдағы жарыққа сезімтал детекторлар электрондардан шыққан екінші жарқылды тіркеуге дайын тұрады.
WIMP бөлшегі ксенонның ядросына соғылар болса, ол қарапайым материя тудыра алмайтын ерекше қуат деңгейіндегі қос жарқыл шығарар еді. «Басты қиындық мынада: жер астындағы детекторға жетіп, ксенон атомдарына соғыла алатын басқа да бөлшектер бар», – дейді Уатсон. Бұл «шақырусыз келетін қонақтардың» ең негізгілері – Күннен және басқа да ғарыштық көздерден бөлінетін гамма-сәулелер мен нейтрон бөлшектері.
Сондықтан LZ орналасқан Оңтүстік Дакотадағы нысан бұрынғы алтын кенішінің ішінде, жер астында, шамамен 1480 метр тереңдікте жатыр: қалың жартас қабаты ғарыштан келетін радиацияның басым бөлігін сүзіп қалады (бұл – АҚШ-тағы ең тереңдегі жерасты зертхана). Тәжірибелік резервуарда адасып келген бөлшектерді бөгейтін бірнеше қорғаныш қабаты бар. Ол үшін сирек кездесетін элементтер де, аса мұқият тазартылған су да пайдаланылады. Бірінің ішіне бірі салынған матрёшкаға ұқсайтын бұл резервуарларды жасауға қолданылған материалдар да өте таза, яғни олардан фондық шу өте аз мөлшерде шығады.
Соған қарамастан күңгірт материя бөлшектерімен оп-оңай шатастырып алуға болатын кәдімгі материялық әрекеттесулер ара-тұра өтіп кетеді. Міне, осы себептен де LZ ғалымдары 2021 жылғы желтоқсанда ғылыми жұмыстарын бастағалы бері іздеу процесіне аса мұқият қарап келеді.
Фотсурет: Мәтью Капуст, Сәнфорд жерасты зерттеу орталығы
2023 жылғы наурыз бен 2024 жылғы сәуір аралығында физиктер әрбір күдікті жарқылды егжей-тегжей зерттеген еді. Олардың барлығы дерлік кәдімгі материяның әрекеттесуінен туындағаны анықталды. Алайда 2023 жылғы 16 маусымда әлдене ксенон ядросына соғылып, детекторда кәдімгі материямен түсіндіруге келмейтін жарқыл тудырған.
«Талдау тобымыздың орасан зор еңбегінен кейін ғана біз ерекше бір нәрсе тапқанымызды түсіндік», – дейді Англиядағы Бристоль университетінің физигі, жаңа зерттеу тобының мүшесі Самуэль Эриксен.
Ақыры күңгірт материя бөлшегін таптық па?
Өткен аптада Жапонияның Тендо қаласында өткен 2026 жылғы TeV бөлшектер астрофизикасы конференциясында жарияланған әрі сараптамалық рецензиядан әлі өте қоймаған мақаладағы мәліметке сәйкес, бұл құбылыс – массасы протоннан кем дегенде 200 есе ауыр WIMP бөлшегі болуы ықтимал.
«LZ нәтижесі таңдай қақтырарлық», – дейді Йель университетінің астрономы Майкл Кейм. Оның пікірінше, бұл жаңалық күңгірт материяның нақты бөлшек екенін айқын көрсетеді әрі кей күмәншілдердің «бұл жай ғана гравитацияны толық түсінбегеніміздің салдары» деген пікірін жоққа шығарады.
