Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

2.13. Так что же такое темная материя?

Позади нас долгий путь: мы посмотрели на галактики, скопления галактик и нечто большее. Теперь мы обратим внимание на мельчайшие кирпичики Вселенной — элементарные частицы. На сегодняшний день считается, что все в природе состоит из таких элементарных частиц. Если темная материя существует, то она тоже должна состоять именно из них.

В начале книги мы познакомились с ньютоновским яблоком из темной материи. Яблоко имело массу и взаимодействовало с гравитацией, но не сталкивалось с обычным веществом, из которого состоит Земля. При поиске частицы темной материи следует искать нечто, обладающее такими же свойствами: оно реагирует на гравитационные силы, но не сталкивается.Что такое частица?

Когда мы используем слово «частица», легко подумать, что это что-то похожее на обычные частицы, такие, как те, что попадают в фильтр пылесоса, — нечто, понятное дело, маленькое, но все же видимое и с четко определенным внешним видом, если изучить их при помощи неплохого микроскопа. С элементарными частицами все не так просто. У них нет никакого четко определенного размера, контура или цвета. Например, нельзя назвать их маленькими шариками. Не получится даже указать точное место в комнате, где находится та или иная частица. Элементарная частица похожа на коробку, в которую упакованы определенные физические свойства. Электрон, например, представляет собой коробку, где хранятся определенная масса, заряд и некоторые другие свойства, о которых мы не говорили: свойства с загадочными названиями, такими как магнитный момент и квантово-механический спин. У электрона нет определенного размера или формы, но этот набор свойств одинаков у всех электронов.

Так что, когда говорят, что мир состоит из частиц, это означает, что мир состоит из таких коробок с очень специфическими комбинациями свойств. И это действительно забавно. Почему, например, у всех электронов одинаковая масса и одинаковый заряд? А если масса одного электрона или его заряд будут, скажем, на 2,31 процента больше, чем у другого электрона? Нет, так не пойдет. Если вы съели завтрак из элементарных частиц и хотите добавки, то возьмите еще один целый электрон. Разрезать элементарные частицы, как ломтик хлеба, не получится.

Когда физические величины входят в такие предопределенные порции, мы говорим, что размеры квантовые или что они квантованы. Вот почему физика, имеющая дело с этим странным микроскопическим миром, также называется квантовой физикой, или квантовой механикой. В квантовой физике, где частицы не имеют формы, происходят невероятные вещи, идущие вразрез с нашим макроскопическим мировосприятием. К некоторым из этих странных явлений мы еще вернемся, но прежде все же стоит познакомиться с темной энергией.Стандартная модель физики элементарных частиц

Помните открытие мельчайшей частицы, бозона Хиггса? Ее открыли в 2012 году в физической лаборатории ЦЕРН вблизи Женевы через 50 лет после теоретического предсказания. Благодаря телевидению мы стали свидетелями того, как обычно скупые на эмоции физики аплодировали, плакали и не могли перестать обниматься. Такой энтузиазм больше присущ девочкам на концертах бойбэндов или футбольным фанатам в пабах после удачной игры. Не слишком ли много шума вокруг столь крохотной частицы? Бозон Хиггса стал последним недостающим фрагментом в замысловатой головоломке, которую мы называем Стандартной моделью физики элементарных частиц. И кстати, именно в последнее столетие большинство кусочков пазла как раз и оказались на своих местах.

Но раз головоломка решена, чем теперь займутся физики, изучавшие элементарные частицы? Смотрите, ученые так ликовали, понимая, что это только начало и открытие лишь позволит начать разглядывать первые нечеткие очертания новых головоломок. Возможно, где-то за пределами Стандартной модели найдутся один или несколько фрагментов, которые расскажут нам что-то о темной материи, — фрагменты, позволяющие вписать темную материю в уже существующую физику элементарных частиц. Но перед тем, как заглядывать за пределы Стандартной модели, не лучше ли сначала ознакомиться с существующей на сегодняшний день концепцией? И попробовать понять, что же она рассказывает нам о фундаментальных особенностях природы?

Стандартная модель рассказывает, из каких кирпичиков, а если быть точнее, элементарных частиц построен мир, а также каким образом эти кирпичики взаимодействуют друг с другом посредством различных сил природы. Количество кирпичиков ограничено, но, благодаря бесчисленным вариациям их сотрудничества, вокруг нас сформировалась такая многоуровневая реальность. Из элементарных частиц состоят, например, атомы, которые, в свою очередь, образуют молекулы. А все, что мы видим вокруг себя, состоит из атомов и молекул. Частицы в Стандартной модели вы увидите на рисунке.

Двенадцать частиц с левой стороны — это так называемые частицы вещества. Шесть верхних — кварки, а шесть нижних — лептоны. Пять частиц с правой стороны отвечают за энергообмен других частиц. А еще есть бозон Хиггса, который отвечает за инертную массу.

^{Частицы Стандартной модели. Мы не ожидаем, что эти элементарные частицы действительно имеют какой-либо размер или внешний вид. Поэтому можно развлечься, рисуя их так, как нам хочется. К этому рисунку, возможно, будет полезно вернуться, когда мы в конечном итоге представим различные частицы.}

Широкой публике описанные выше частицы не особо известны. Уже неплохо, если человек знает, что такое электрон. Но электрону мы уже уделили достаточно внимания. Да и фотон у многих на слуху (это частица света, или электромагнитного излучения). И бозон Хиггса, которому так радовались физики. Но где, например, протон и нейтрон? И чем занимаются все остальные странные частицы, о которых мы никогда не слышим? В случае со Стандартной моделью нельзя сказать, что все частицы оказались на своих местах вследствие череды случайных находок, как засушенные растения в гербарии школьника. Каждая частица сначала появилась на своем законном месте в математической формулировке. А это означает, что подавляющее большинство элементарных частиц было теоретически предсказано задолго до практического доказательства в ходе экспериментов.

Вернемся к обзору частиц в Стандартной модели. Начнем с частиц вещества. Электрон — одна из них. Но большинство других частиц вещества в повседневной жизни не так уж часто встречаются. Мюон и частица тау во многих своих свойствах схожи с электроном, например, у них отрицательный заряд, зато больше масса. И мюон, и тау-частица за доли секунды превращаются в другие частицы и исчезают. Поэтому их называют нестабильными.

То же самое касается четырех кварков: очарованного, странного, истинного и прелестного. Они нестабильны, и их жизнь очень коротка. С другой стороны, верхние и нижние кварки играют важную роль в построении Вселенной, поскольку являются кирпичиками, образующими протоны и нейтроны, из которых, в свою очередь, состоят ядра атомов. Протон состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, в то время как нейтрон — из одного верхнего и двух нижних. У всех кварков есть электрический заряд: +2/3 у верхних и -1/3 у нижних. Простейшие математические вычисления позволяют понять, почему у протона заряд 4–1, а у нейтрона — 0. Кварки всегда стремятся соединиться с другими кварками, чтобы образовать, например, нейтроны и протоны. Исключение составляют лишь ситуации с экстремально высокими температурами — это те, что в 10 000 раз превышают температуру ядра Солнца. И получается, что, хотя Земля и состоит по большей части из кварков, эти кварки заключены в протоны и нейтроны.

Нейтрино — это те еще невидимые чудаки. Их во Вселенной невероятно много, хотя масса этих частиц ничтожно мала. Невидимость нейтрино, конечно, связана с тем, что у них нет электрического заряда. Учитывая количество нейтрино и их невидимость, очень хочется предположить, что нейтрино и темная материя — одно и то же. Но с помощью нейтрино никак не получится объяснить быстро вращающиеся галактики Рубин или другие связанные с темной материей феномены, которые мы рассматривали. На самом-то деле, в какой-то мере нейтрино и есть форма темной материи. Но они могут составлять лишь ее крошечную часть. Поэтому частица темной материи, по всей видимости, отличается от нейтрино Стандартной модели.

Так почему же нейтрино недостаточно, чтобы полностью объяснить темную материю? И откуда мы знаем, что нейтрино существуют, если они невидимы? Чтобы объяснить почему, нам нужно взглянуть на переносчики взаимодействия справа на рисунке Стандартной модели. Частицы взаимодействия определяют, каким образом действуют силы природы и с какой силой и почему без этих переносчиков взаимодействий никак не обойтись в наших поисках частицы темной материи. Переносчики взаимодействий и ядерная энергетика

Мы уже немало говорили об электрических и электромагнитных силах, действующих между электрическими зарядами и позволяющих обычной материи сталкиваться и не распадаться. Но что заставляет эти силы действовать между электрическими зарядами? Уж точно не канцелярские резинки или пружины, а фотоны. Два заряда толкают или притягивают друг друга, обмениваясь фотонами (небольшими частицами электромагнитных волн).

Испытать похожий процесс на себе можно, если пойти с другом на каток и начать бросать туда-сюда тяжелый предмет, например, воздушный шар с водой. Каждый раз при передаче шара, вы будете отталкиваться друг от друга. Точно так же два электрических заряда будут перебрасывать фотоны между собой, и, в точности как у конькобежцев, бросающих шары с водой, бросок отталкивает электроны друг от друга. Но, в отличие от примера с катком, где бросок только отталкивает вас друг от друга, обмен фотонами может заставить заряды и притягиваться друг к другу.

Фотоны похожи на маленькие мешочки с электромагнитным излучением. Все наблюдаемое нами электромагнитное излучение состоит из фотонов. Означает ли это, что электрические заряды постоянно передают друг другу небольшие вспышки света, пока сталкиваются и отталкиваются? И, получается, мы можем увиде ть эти вспышки? Нет, к сожалению или к счастью, в нашей и без того заряженной электричеством реальности было бы невыносимо много света. Это то, что мы называем «виртуальными фотонами» (я же говорил, что квантовая физика странная), и их нельзя рассматривать точно так же, как световые волны от горячей плиты. Но даже если эти виртуальные фотоны не видны глазу, фотон выполняет роль переносчика энергии между электрическими зарядами.

С другими силами природы также связаны переносчики взаимодействия, задействованные в обмене силами между частицами. В Стандартной модели есть три еще не рассмотренные нами частицы: глюон, W-бозон и 2-бозон. Глюон — переносчик так называемого сильного ядерного взаимодействия, в то время как W- и 2-бозоны — переносчики слабого взаимодействия.

Подведем итоги:

Фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия.