Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

На сегодняшний день в мире существует не один нейтринный детектор. Из-за такой неуловимости частицы-призрака детекторы часто делают ну очень большими, чтобы не упустить шанс разглядеть столкновение. Именно поэтому многие эксперименты выглядят так оригинально и зрелищно. Один из крутейших проектов, связанных с нейтрино, — это обсерватория АйсКьюб (Ледяной куб, IceCube) на Южном полюсе: ученые пробурили толщу льда и погрузили туда «нити» длиной практически в три километра. Каждая нить к тому же снабжена светочувствительными детекторами. В совокупности этими детекторами напичкан целый кубический километр льда. При правильной скорости столкновение нейтрино со льдом может привести к едва заметной вспышке света. Детекторы в длинных «нитях» улавливают эти вспышки для последующих исследований АйсКьюб. Цель всего вышеописанного — узнать больше о нейтрино и в особенности о различных порождающих их процессах.

А где могут рождаться нейтрино? Мы уже поговорили о Солнце, Большом взрыве и атомных электростанциях. А еще о темной материи — если она, конечно, тоже на это способна. Таким образом, возможно, эксперимент АйсКьюб, в ходе которого в глубинах антарктического льда отслеживаются вспышки света, обнаружит и следы темной материи. И скоро мы поймем, как именно.

Почему сами нейтрино не могут быть темной материей? Тут все просто: их масса слишком мала. По правде говоря, пару десятилетий назад многие думали, что у нейтрино и вовсе нет массы. С того времени в ходе ряда экспериментов было доказано, что сколько-то они все же весят. Конкретные числа нам неизвестны, но точно меньше одной миллионной массы электрона. А это безумно мало, особенно если вспомнить, что электрон — легчайшая частица вещества в Стандартной модели.

А почему маленькая масса — это проблема? Потому что обычно во Вселенной все происходит так: чем быстрее частица, тем она легче. Получается, нейтрино должны быть сверхбыстрыми. Мы помним, что темная материя есть еще и в скоплениях галактик, и в галактиках. Эти скопления и галактики возникли из-за того, что в молодой Вселенной образовались небольшие уплотнения, которые впоследствии разбухли из-за гравитации. Давайте теперь представим, что нейтрино приближается к нашей Галактике со своей суперскоростью. Если бы частица обладала сознанием, то подумала бы что-нибудь вроде: «О, галактика! И какая красивая! Да еще и с такой притягательной гравитацией. Может, мне присоединиться к ней? Но… упс! Похоже, я ее уже пролетела.

Ну что ж, приятно было познакомиться, галактика!» И она просто помчится дальше, как участник марафона мимо промоутера. Ну конечно, в нашей Галактике тоже есть нейтрино, но те невообразимые количества нейтрино, оставшиеся от Большого взрыва, слишком быстры, чтобы прилипать к галактикам.

Да и к тому же мы многое знаем о взаимодействии нейтрино с другими материями и примерно представляем, сколько таких призраков летает по Вселенной. Если суммировать вес всех нейтрино, окажется, что их общая масса в лучшем случае составляет десятую часть всей видимой материи. А наблюдения за Вселенной говорят о гораздо больших количествах темной материи. В целом, кажется, что темная материя должна весить примерно в пять раз больше, чем видимая. Так что нейтрино весят слишком мало, чтобы быть той самой темной материей, которую мы ищем.

А что, если нейтрино были бы, скажем, в десять миллиардов раз массивнее? Тогда бы они были гораздо более медлительными. И такие тяжелые чудовища уж точно нашли бы время заглянуть в галактику. А оказавшись в галактике, они могут кататься туда-сюда, как боулинговые шары на рампе для скейтборда. Да, они не сталкиваются, но и покинуть галактику скорость не позволяет.

Так что во время охоты на частицу темной материи нужно искать что-то похожее на нейтрино, но гораздо, гораздо тяжелее. У таких частиц есть название. Считается, что мы ищем холодную темную материю. И говоря «холодная», мы имеем в виду частицы, которые передвигаются не слишком быстро. В Стандартной модели нет места новым частицам, так что искать нам придется за ее пределами.

И хоть нейтрино и не стали той самой частицей темной материи, из всей ситуации можно извлечь парочку уроков. Во-первых, теперь нет сомнений в существовании невидимых частиц-призраков. Во-вторых, их пример демонстрирует, что этих призраков реально обнаружить. Теперь осталось только придумать изощренные эксперименты, которые будут искать именно частицу темной материи. Все это должно вселить в нас надежду на то, что темную материю реально обнаружить, ведь еще шестьдесят лет назад Коуэну и Райнесу удалось обнаружить невидимые нейтрино.

В настоящее время эксперименты проводятся на Международной космической станции, спутниках на орбите Земли, наземных телескопах и сверхчувствительных детекторах глубоко под землей. Все эти технологии задействованы в поиске темной материи. Какой же из способов наиболее эффективен? Зависит оттого, какая частица или частицы образуют темную материю.

Так чем может быть темная материя? Вимпы: темные массивные слабаки

Во всех этих названиях частиц легко запутаться. А когда разговор заходит о предполагаемых кандидатах на частицу темной материи, то названий становится еще больше. За утешением можно обратиться к мудрой фразе, которую известный физик Энрико Ферми как-то сказал студенту примерно в середине XX века: «Молодой человек, если бы у меня хватало памяти запомнить названия всех этих частиц, то я стал бы ботаником».

Хоть Ферми и не имел в виду частицы темной материи, но и в нашей ситуации цитата актуальна. Ведь дефицита в гипотетических частицах темной материи не наблюдается: вимпы, SIMPbi (сильно взаимодействующие массивные частицы), аксионы, стерильные нейтрино, нейтралино, гравитино, фотино, криптон, зеркальное вещество, Q-ball, Вимпзилла (WIMPZilla) и так далее⁴*⁵. Но разобраться с особенностями частицы темной материи можно и не изучая в подробностях всех этих диковинных зверей — как ни крути, а Энрико Ферми ведь стал выдающимся физиком, не зная наизусть все типы частиц.

Но одному из подозреваемых допрос мы все же устроим, а если быть точнее, частице вимп. Вимп (WIMP) — это аббревиатура Weakly Intecting Massive Particle, а по-русски она называется слабовзаимодействующей массивной частицей.

(К сожалению, русское наименование звучит гораздо скучнее английского, поэтому мы будем придерживаться вимпов. Английское слово «wimp» можно перевести как «слабак».)

Иначе говоря, эта частица обладает массой и участвует в слабом взаимодействии, но не признает ни электромагнитное, ни сильное взаимодействия.

Подозрительно похоже на нейтрино? Ну да, вимп — это частица, похожая на нейтрино, хотя это нечто новое и отличное. Да к тому же масса вимпа должна намного превышать массу нейтрино.

Самая популярная на сегодняшний день гипотеза гласит, что темная материя состоит из частиц вимп. Популярность этих частиц небеспричинна. У нас даже есть основания полагать, что вимпы существуют в природе, просто пока мы их не обнаружили. А если такие частицы все же существуют, то, скорее всего, образовались они сразу после Большого взрыва и существуют до сих пор. А еще имеются веские причины полагать, что эти вимпы будут достаточно тяжелыми и многочисленными, чтобы из них состояла темная материя. По факту некоторые физики-теоретики считают, что вимпы настолько хорошо подходят на роль частицы темной материи, что даже придумали понятие «чудо- вимп» (WIMP-miracle).

А тем, кто уже закипает от вимп-лихорадки, советую все же остудить свой пыл. Единого теоретического описание вимпов не существует, вимп — это лишь общее описание некоторых свойств частицы (если быть точнее, участие в гравитационном и слабом взаимодействиях). Вимп — общий термин, который охватывает целый набор различных типов предполагаемых гипотетических частиц. Чуть позже мы уточним, о каких именно частицах идет речь. А еще посмотрим, в чем заключается «чудо вимпа» и почему вимп-частиц так много во Вселенной.

Но сначала давайте разберемся с важной особенностью вим- пов: их реально обнаружить экспериментальным путем! Уже по определению понятно, что вимпы подчиняются слабому взаимодействию. Получается, они, как и нейтрино, способны иногда взаимодействовать с другими известными частицами. А раз нейтрино удалось уловить в ходе изощренных экспериментов, то же самое можно проделать и с вимпами. Именно поэтому разнообразные эксперименты по всему миру нацелены на поиск этих частиц. Ученые ждут, пока слабое взаимодействие вынудит вимпы подать сигнал детекторам. Так они смогут выяснить, что же все-таки такое темная материя. А такое открытие точно заслуживает Нобелевской премии.

Искать вимп-частицы довольно непросто, ведь мы не знаем наверняка, что ищем, а кандидатов много. Поэтому задействованы разные эксперименты для поиска различных характеристик. Увенчается ли поиск успехом? Некоторые утверждают, что уже видели вимпы. Давайте посмотрим, как проходит эта глобальная охота на слабодействующие массивные частицы. Охота на столкновения вимпов

Знаете, бывают такие карусели, похожие на чайные чашки. Вся конструкция напоминает кусочки торта, а люди садятся в так называемые чашки. Эти кабинки-чашки установлены на вращающейся по кругу платформе, и каждая кабина может на радость пассажирам еще и вращаться вокруг собственной оси. Незабываемые ощущения достигаются благодаря одновременному вращению: сначала платформа-основа обеспечивает вращение по большому кругу, а потом подключаются чашечки с вращением по малому.

Ну и конечно, я не просто так вспомнил о каруселях, дело в том, что это прекрасная аналогия астрофизического явления: движение кабинки-чашки очень похоже на движение Земли в Млечном Пути. Во-первых, сам Млечный Путь и все его звезды обращаются вокруг центра, как платформа-основа. Кроме того, Земля обращается вокруг Солнца, прямо как кабинки карусели.

Вернемся к нашим чашкам. Если вы катались на такой карусели, то наверняка обратили внимание на сильные потоки ветра. Иногда оба вращения — по малому и большому кругам — будут однонаправленными. Тогда порывистый ветер точно испортит вам укладку. А в моменты, когда кабинка и карусель вращаются в противоположные стороны, ветер будет гораздо слабее. Каждый раз при вращении кабинки ветер будет усиливаться, когда оба движения направлены в одну сторону, и ослабевать, когда вращения тянут вас в разных направлениях.

То же самое касается Земли. Иногда танец Земли вокруг Солнца совпадает с вращением Солнечной системы в Млечном Пути, а иногда нет. Когда вы кружились в кабинках-чашечках, то, возможно, заметили, как ветер усиливался или ослабевал в зависимости от того, совпадает направление вращений или нет. Когда Земля вращается в Млечном Пути, то тоже можно наблюдать своего рода ветер — ветер из темной материи. Ведь, как вы, возможно, помните, считается, что нашу Галактику окружает огромное облако темной материи. А из-за эффекта карусели Земля пролетает мимо него с различными скоростями в зависимости от времени года. Быстрее всего Земля будет двигаться сквозь гало темной материи в мае-июне и медленнее всего — в ноябре-декабре.