Книга: Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

* * *

Нет ничего удивительного в том, что значительная часть вещества Вселенной может оказаться недоступна наблюдению, но истории скрытой массы в настоящее время недостает главного. Решающим доказательством в пользу этой теории могло бы стать создание новых частиц с нужными свойствами в каком-нибудь ускорителе, скажем, в Большом адронном коллайдере. При помощи этого внушительного аппарата ученым не так давно удалось провести эпохальные наблюдения бозона Хиггса — частицы, которая объясняет, почему многие (но не все) частицы имеют массу. Но до сих пор в экспериментах на ускорителях не удалось обнаружить никаких частиц темного вещества. В космических лучах — высокоэнергетических частицах из дальнего космоса, в больших количествах падающих на Землю, — тоже не удалось ничего обнаружить.

Таким образом, хотя во Вселенной полно этой материи, темное вещество встречается в ней куда чаще, чем обычное, — но куда бы мы ни посмотрели, везде мы видим только обычное вещество.

Физики приводят различные примеры. Безумные гипотетические частицы им хорошо знакомы. Классический случай — нейтрино, вывод о существовании которого был сделан на основании применения закона сохранения энергии к определенным типам взаимодействия частиц. Нейтрино выглядело очень странно по сравнению с известными на тот момент частицами: не имело электрического заряда, почти не имело массы, могло почти беспрепятственно пройти Землю насквозь. Все это звучало нелепо, но эксперименты в конце концов выявили нейтрино. Сегодня делаются первые шаги в направлении нейтринной астрономии: ученые пытаются использовать эти частицы для зондирования далеких областей Вселенной.

В то же время множество гипотетических частиц оказалось плодом разыгравшегося воображения теоретиков.

Некоторое время считалось, что мы, возможно, просто не замечаем большое количество совершенно обычного «холодного темного вещества» — его собирательное имя было «массивные компактные объекты гало» (MACHO). Этот термин описывает любые тела, которые состоят из обычного вещества, почти не излучают и могли бы существовать в галактических гало, — это коричневые карлики, тусклые красные и белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры… даже планеты. Когда загадка кривых вращения была выявлена впервые, именно такое вещество было очевидным кандидатом на роль скрытой массы. Однако массивных компактных объектов гало, судя по всему, не хватит, чтобы объяснить громадное количество ненаблюдаемого вещества, которое, по мнению космологов, обязательно должно где-то там присутствовать.

Необходим совершенно новый тип частиц. Это должно быть нечто, о чем теоретики уже думают или могут начать думать, и по определению это должно быть нечто, о существовании чего мы пока не знаем. Так что нам ничего не остается, как только с головой погрузиться в рассуждения.

Один из возможных вариантов — ряд гипотетических частиц, известных как слабо взаимодействующие массивные частицы, или вимп-частицы (WIMP). Предположение состоит в том, что эти частицы появились из плотной перегретой плазмы ранней Вселенной и взаимодействуют с обычным веществом только через слабое ядерное взаимодействие. Такая частица подходит под наши требования, если обладает энергией около 100 ГэВ. Теория суперсимметрии — один из ведущих кандидатов на роль объединителя теории относительности и квантовой механики, предсказывает новую частицу именно с такими параметрами. Это совпадение известно как вимп-чудо. Когда начались наблюдения на Большом адронном коллайдере, теоретики надеялись, что он сможет увидеть целую кучу суперсимметричных партнеров известных частиц.

Как бы не так.

Большой адронный коллайдер исследовал широкий диапазон энергий, включая и 100 ГэВ, и не увидел абсолютно ничего, что не укладывалось бы в Стандартную модель элементарных частиц.

Несколько других экспериментов по поиску вимп-частиц тоже не принесли никаких результатов. Никаких следов их не было обнаружено в излучении близлежащих галактик, и в лабораторных экспериментах, нацеленных на обнаружение остатков от их столкновений с ядрами, они тоже блистательно отсутствуют. Итальянский детектор DAMA/LIBRA с завидной регулярностью видит нечто похожее на сигнал вимп-частиц, которые при попадании в кристалл иодида натрия могут давать вспышку света. Эти сигналы возникают регулярно, как по расписанию, каждый июнь[97], что позволяет предположить, что в какой-то конкретной точке своей орбиты Земля проходит через пучок вимп-частиц. Проблема в том, что другие эксперименты тоже должны регистрировать эти частицы, а этого не происходит. DAMA что-то видит, но это, вероятно, не вимп-частицы.

Может ли оказаться, что темное вещество представляет собой значительно более тяжелые частицы, этакие вимпзиллы (WIMPZILLA)? Может. Данные радиотелескопа BICEP2 убедительно свидетельствуют, что ранняя Вселенная обладала достаточной энергией, чтобы породить неуловимый инфлатон, а он затем мог распасться на вимпзиллы. Все очень хорошо, но эти монстры настолько энергичны, что мы не можем их получить искусственно, а сквозь обычное вещество они проходят так, как будто его вообще нет; в результате мы никак не можем их увидеть. Но, может быть, мы сумеем увидеть то, что они порождают при ударе обо что-нибудь: таким поиском занимается эксперимент IceCube возле Северного полюса. Из 137 нейтрино высоких энергий, обнаруженных им в середине 2015 года, три могли бы быть порождением вимпзилл.

С другой стороны, скрытую массу могут обеспечивать аксионы. Их предложили Роберто Печчеи и Хелен Куинн в 1977 году как средство решения досадной проблемы CP-инвариантности. Дело в том, что некоторые взаимодействия частиц нарушают базовую симметрию природы, в которой совмещены зарядовое сопряжение (conjugation C, замена частицы на соответствующую античастицу) и четность (parity P, зеркальное отображение пространства). Оказывается, эта симметрия не соблюдается при некоторых взаимодействиях частиц посредством слабых ядерных сил. А вот в квантовой хромодинамике, где задействовано сильное ядерное взаимодействие, CP-симметрия есть. Вопрос: почему? Печчеи и Куинн разрешили эту проблему введением дополнительной симметрии, которую разрушает новая частица, названная аксионом. Опять же, экспериментаторы искали эти частицы, но ничего убедительного найти пока не удалось.

Если ничто из перечисленного, то что?

Нейтрино — прекрасный пример странных частиц, которые, казалось, почти невозможно зарегистрировать. Солнце излучает нейтрино во множестве, но первые детекторы обнаружили лишь третью часть от ожидаемого числа солнечных нейтрино. Однако нейтрино бывают трех типов, и сегодня установлено, что в пути они превращаются из одного типа в другой. Первые детекторы регистрировали нейтрино только одного типа. После того как детекторы были доработаны и получили возможность регистрировать нейтрино всех трех типов, их число утроилось. Кроме того, мог бы в принципе существовать и четвертый тип нейтрино, получивший название стерильного нейтрино. Все нейтрино стандартной модели левые; стерильные, если они есть, — правые. (Специальный термин: хиральность, отличающая частицы от их зеркальных отражений.) Если стерильные нейтрино действительно существуют, они должны будут привести нейтрино в соответствие со всеми остальными частицами и, кроме того, объяснить массы нейтрино, что было бы замечательно. Они могли бы в принципе оказаться темным излучением, обеспечивающим взаимодействие между темными частицами, если таковые существуют. Было проведено несколько экспериментов, нацеленных на их обнаружение. MiniBooNE лаборатории Fermilab в 2007 году ничего не обнаружил, а спутник Planck ничего не обнаружил в 2013 году. Но во французском эксперименте с нейтрино, излученными ядерным реактором, 3 % антинейтрино испарились в неизвестном направлении. Возможно, это были стерильные нейтрино.

Каталог аббревиатур — названий экспериментов, придуманных для охоты на темное вещество или предположительно способных его заметить, напоминает список организованных правительством квазиавтономных неправительственных организаций: ArDM, CDMS, CRESST, DEAP, DMTPC, DRIFT, EDELWEISS, EURECA, LUX, MIMAC, PICASSO, SIMPLE, SNOLAB, WARP, XENON, ZEPLIN… Хотя эти эксперименты принесли ученым ценную информацию и многого достигли, никакого темного вещества они не обнаружили.

Космический гамма-телескоп Fermi в 2010 году все же обнаружил потенциальные признаки темного вещества в самом центре нашей Галактики. Нечто там излучало большое количество гамма-лучей. Это наблюдение рассматривалось как весомое свидетельство в пользу темного вещества, некоторые формы которого могут распадаться на частицы, которые при столкновениях испускают гамма-лучи. Некоторые физики даже считали этот источник своего рода «дымящимся ружьем», подтверждающим существование темного вещества. Однако в настоящее время кажется, что причина кроется в обычном веществе: тысячи не замеченных прежде пульсаров — а их несложно не заметить, учитывая хотя бы огромное количество объектов в забитом до отказа галактическом ядре и трудности, связанные с наблюдением этой области[98]. Более того, если избыток гамма-излучения действительно вызван темным веществом, то другие галактики тоже должны были бы излучать аналогичное количество гамма-лучей. Если верить Кеворку Абазаджяну и Райану Кили, они этого не делают. «Дымящееся ружье» не оправдало ожиданий.

В 2015 году Грегори Рухти, Джастин Рид и другие занялись поисками иных доказательств присутствия темного вещества в диске Галактики. За многие эпохи Млечный Путь проглотил десятки меньших по размеру галактик-спутников и должен был бы съесть и их гало из темного вещества тоже. Как и в случае с протопланетным диском, это темное вещество должно, по идее, быть сосредоточено в диске, примерно совпадающем по форме с диском обычного вещества Галактики. Теоретически, его можно обнаружить, поскольку оно затрагивает химию звезд. Звезды-гости должны быть чуть горячее, чем местные обитатели. Однако исследование 4675 звезд-кандидатов в составе диска не обнаружило ничего подобного, хотя на более далеких расстояниях обнаружилось некоторое количество таких звезд. Представляется, таким образом, что у Галактики нет диска из темного вещества. Это не мешает ей иметь обычное сферическое гало, но немного усиливает тревожное ощущение, что темного вещества, может быть, не существует вовсе.