Существование во Вселенной скрытой массы — тёмной материи — сегодня не вызывает сомнений. Она проявляет себя только через гравитацию, удерживая галактики от распада и влияя на распространение света. Всё, что мы наблюдаем: звёзды, планеты, газ — составляет лишь около пяти процентов Вселенной, остальное — невидимо. Большинство учёных полагает, что тёмная материя состоит из неизвестных частиц, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом.

Возможными кандидатами на роль частиц тёмной материи предполагаются так называемые WIMP — слабо взаимодействующие массивные частицы. Несмотря на многолетние поиски в ускорителях и подземных лабораториях по всему миру, они не были обнаружены. Однако уже почти три десятилетия работает установка DAMA/LIBRA, которая показывает стабильный и воспроизводимый эффект: сцинтилляционные вспышки в кристаллах йодистого натрия с энергией 2–6 кэВ, число которых увеличивается в июне и уменьшается в декабре, циклично повторяясь из года в год.

Физическую природу этих парадоксальных результатов изучают учёные из НИИ физики Южного федерального университета. Научная школа действует под руководством таких всемирно известных учёных, как доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории космических исследований Владимир Корчагин и доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории космических исследований профессор Максим Хлопов.

Опираясь на гипотезу «тёмных атомов», предложенную профессором Хлоповым ещё в 2010 году, учёные заключают, что тёмная материя состоит не из одиночных элементарных частиц, а из нейтральных составных объектов — темных атомов, внутри которых находятся тяжелые многозарядные частицы. Простейший «тёмный атом» образуется, когда дважды отрицательно заряженная частица связывается с ядром обычного гелия в период его образования в ранней Вселенной.

«Когда такие тёмные атомы летят сквозь Землю, они сталкиваются с породой, тормозятся и теряют энергию. Они движутся недостаточно быстро, чтобы выбить ядро из кристаллической решётки детектора — именно на таком эффекте основан поиск WIMP в других экспериментах. Но темные атомы могут захватываться ядрами натрия, входящими в состав детектора DAMA/LIBRA, и образовывать с ними слабосвязанное состояние. При этом выделяется энергия в виде гамма-кванта, и его энергия как раз попадает в чувствительный диапазон установки», — рассказал Максим Хлопов.

Для тяжёлых ядер йода такой процесс оказывается энергетически невыгодным, и этот факт объясняет, почему другие эксперименты, например, на ксеноне, не видят похожего сигнала: у них просто нет лёгких ядер, способных захватывать тёмные атомы.

«Высокая статистическая значимость этого результата — 13,5 стандартных отклонений — казалось бы, вступает в противоречие с отрицательными результатами прямого поиска WIMP в других экспериментах», — поделился Владимир Корчагин.

В программной статье, опубликованной ростовскими астрофизиками в журнале первого квартиля Universe совместно с руководителем эксперимента доктором Ритой Бернабей и сотрудниками лаборатории в Италии, дано детальное объяснение наблюдаемым годовым осцилляциям событий и предложена интерпретация результатов других экспериментальных групп в терминах тёмных атомов.

Ключевым тестом для этой гипотезы станет австралийская установка SABRE South — первая в Южном полушарии лаборатория по поиску тёмной материи, аналогичная DAMA/LIBRA. Если она тоже зарегистрирует годичные колебания сигнала, это будет почти окончательным доказательством, что природа скрытой массы раскрыта.

«Если наличие годовых осцилляций событий подтвердится на этой установке, то природу скрытой массы можно считать установленной, открывающей уникальные возможности тёмных атомов для их практического освоения», — подчёркивает Максим Хлопов.

Пока же учёные ЮФУ продолжают совершенствовать свою модель, рассчитывая электрическое и ядерное взаимодействие тёмных атомов с обычным веществом, а также учитывая распределение заряда внутри ядер и их возможную деформацию. Кроме этого, они разрабатывают методику ее всесторонней проверки в поисках стабильных многозарядных частиц на коллайдерах в сочетании с астрофизическим поиском эффектов присутствия темных атомов в небесных телах.

Текст: Алексей Романенко, ред: Ольга Молоткова