33. Детектор частиц темной материи
Имеется большой массив самых разнообразных астрофизических данных, которые указывают на то, что во Вселенной — помимо звезд, планет, газопылевых облаков, черных дыр и так далее — присутствует много так называемой темной материи. Ее совокупный вклад в массу Вселенной раз в пять больше, чем у обычного вещества. Однако эта материя не светится и не поглощает свет, и вообще она не видна ни в каком диапазоне электромагнитных волн. Она рассредоточена в пространстве на масштабах галактик и их скоплений и свое присутствие выдает лишь косвенно, через гравитационное воздействие на звезды и галактики. Понятно также, что темная материя играла чрезвычайно важную роль на самых ранних этапах эволюции Вселенной: это влияние тоже прослеживается по космологическим наблюдениям, в частности по реликтовому излучению.
И хотя физики уверены в существовании темной материи, совершенно непонятно, из каких частиц она состоит. Ясно лишь, что это должны быть частицы нового сорта, поскольку ни одни из известных частиц на эту роль не годятся. Кроме того, понятно, что частицы темной материи должны взаимодействовать с обычным веществом исключительно слабо. Но ни масса, ни тип частиц, ни их детальный закон взаимодействия не известны. Считается известной, впрочем, плотность темной материи в галактической окрестности Солнечной системы (около 10−21 кг/м3) и типичные скорости частиц (100–200 км/с). Также есть основания считать, что у этих частиц, которые, словно идеальный газ с некоторой «температурой», заполняют галактики, имеется приблизительно тепловое распределение по скоростям.
Рис. 1. Частицы темной материи, пронзая насквозь детектор, изредка сталкиваются с ядрами рабочего вещества и передают им часть своей энергии. Эта энергия выделяется в детекторе и может быть зарегистрирована датчиками
Такая ситуация со многими неизвестными складывается потому, что частицы темной материи до сих пор не удалось напрямую поймать в эксперименте. Однако это, в принципе, можно сделать! Солнечная система, двигаясь по своей галактической траектории, постоянно «чувствует встречный ветер» из частиц темной материи. Из-за слабости взаимодействия этот «ветер» насквозь «продувает» Солнце и планеты, и только изредка частицы темной материи могут наткнуться на обычное вещество (вспомните задачу «Нейтринный томограф для ядерного реактора» — нечто похожее происходит и с нейтрино). Если подобные столкновения хоть редко, но все же происходят, появляется возможность напрямую зарегистрировать частицы темной материи (см. рис. 1). Для этого в подземной шахте можно установить герметично закрытую емкость с рабочим веществом, которая вместе с Землей тоже будет чувствовать «дуновение темного ветра». Когда частица темной материи столкнется с ядром вещества и упруго от него отскочит, она передаст атому некоторую энергию, и такое энерговыделение смогут зафиксировать датчики, установленные внутри.
В идеальном случае достаточно лишь одного такого события для объявления о регистрации частиц темной материи. В реальности, однако, всегда имеется остаточный фон от космических лучей и от примесей радиоактивных изотопов в самых разных материалах. Время от времени они будут вызывать ложные срабатывания датчиков. Поэтому, если частицы темной материи сталкиваются с веществом детектора слишком редко, этот процесс не удастся отделить от фона. Кроме того, у самих датчиков есть некоторый порог чувствительности: они не способны «заметить» энерговыделение меньше определенного значения.
Поскольку заранее масса частиц темной материи не известна, такой эксперимент проверяет сразу разные значения масс в широком диапазоне. Для каждой выбранной массы он имеет свой достижимый предел чувствительности: если вероятность взаимодействия (или сечение взаимодействия, что по сути одно и то же) выше некоторого порога, детектор такие частицы темной материи сможет открыть. Поэтому способности детектора представляют обычно в виде графика чувствительности: минимальная вероятность, необходимая для открытия, в зависимости от массы частиц темной материи.
Задача
Выясните, к частицам какой массы будет наиболее чувствителен детектор темной материи с рабочим веществом из жидкого ксенона. Нарисуйте типичный вид графика чувствительности такого детектора.
