Тёмные атомы: ростовские ученые пытаются разгадать загадки Вселенной

Астрофизики из Южного федерального университета выдвинули новое объяснение одной из самых загадочных проблем современной физики — годичных колебаний сигнала, зафиксированного детектором DAMA/LIBRA. Этот детектор уже почти три десятилетия фиксирует необычные сигналы в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, которые интерпретируются как взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом.

Существование темной материи в нашей Вселенной стало общепризнанным фактом. Она проявляет себя исключительно через гравитационные взаимодействия, предотвращая распад галактик и влияя на распространение света. Все наблюдаемые нами объекты — звезды, планеты и газ — составляют лишь около пяти процентов от общей массы Вселенной, в то время как остальная часть остается невидимой. Большинство ученых считает, что темная материя состоит из неизвестных частиц, которые практически не взаимодействуют с обычным веществом.


Возможными кандидатами на роль частиц тёмной материи считаются WIMP — слабо взаимодействующие массивные частицы. Несмотря на многолетние поиски, они не были обнаружены. Однако установка DAMA/LIBRA, работающая почти три десятилетия, фиксирует стабильные сцинтилляционные вспышки в кристаллах йодистого натрия с энергией 2–6 кэВ, число которых увеличивается в июне и уменьшается в декабре.

Исследования по этому вопросу ведутся учеными из НИИ физики Южного федерального университета под руководством известных ученых, таких как Владимир Корчагин и Максим Хлопов. Они опираются на гипотезу «тёмных атомов», предложенную Хлоповым в 2010 году, согласно которой тёмная материя состоит из составных объектов — темных атомов, внутри которых находятся тяжелые многозарядные частицы. Простейший «тёмный атом» образуется, когда дважды отрицательно заряженная частица связывается с ядром гелия.

Когда такие тёмные атомы проходят через Землю, они теряют энергию, но могут захватываться ядрами натрия в детекторе DAMA/LIBRA, образуя слабосвязанное состояние и выделяя гамма-кванты в чувствительном диапазоне установки. В отличие от этого, для тяжёлых ядер йода такой процесс оказывается энергетически невыгодным, что объясняет отсутствие аналогичных сигналов в других экспериментах.

«Высокая статистическая значимость этого результата — 13,5 стандартных отклонений — кажется противоречивой с отрицательными результатами других экспериментов по поиску WIMP», — отметил Владимир Корчагин. В статье, опубликованной в журнале Universe, ростовские астрофизики, совместно с доктором Ритой Бернабей и итальянскими коллегами, объясняют наблюдаемые годовые осцилляции событий и интерпретируют результаты других групп через призму тёмных атомов.


Ключевым тестом для этой гипотезы станет австралийская установка SABRE South — первая лаборатория в Южном полушарии, аналогичная DAMA/LIBRA. Если она также зарегистрирует годичные колебания сигнала, это будет почти окончательным доказательством природы скрытой массы. «Подтверждение годовых осцилляций на этой установке откроет уникальные возможности для практического освоения тёмных атомов», — подчеркивает Максим Хлопов.

На данный момент исследователи ЮФУ продолжают улучшать свою модель, сосредоточив внимание на расчете электрических и ядерных взаимодействий тёмных атомов с обычным веществом. Они также учитывают распределение заряда внутри ядер и возможные деформации. Кроме того, учёные разрабатывают методику для всесторонней проверки своей теории, которая включает поиск стабильных многозарядных частиц на коллайдерах и астрофизические исследования, направленные на выявление эффектов присутствия тёмных атомов в небесных телах.