Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

^{Кабинки-чаинки: счастливые посетители ярмарки, которые катаются на карусели, — хорошая аналогия движения Земли по Млечному Пути.}

Поскольку темная материя просто проходит сквозь Землю, не сталкиваясь с ней, поток ветра из частиц темной материи никого с ног пока не сбивал. Но если темная материя состоит из частиц WIMP, которые участвуют в слабом взаимодействии, то они должны хоть иногда сталкиваться с ядрами атомов на Земле. И, как я отмечал ранее, чем выше скорость вимпов, тем больше вероятность столкновения. Если темная материя — это WIMP, то в мае следует ожидать большего количества столкновений, чем в ноябре. Группа исследователей полагает, что именно этот эффект изменения ветра WIMP они наблюдали глубоко под горой в Италии.

Если пару часов ехать в северо-восточном направлении от Рима, то окажешься у горы Гран-Сассо. Там под полутора километрами горной породы скрывается огромная физическая лаборатория. В этой подземной лаборатории проводят различные эксперименты в области физики элементарных частиц. И, конечно, подобные эксперименты проводятся глубоко под землей не просто так. Гора здесь выполняет роль щита и прикрывает лабораторию от космических лучей. Гран-Сассо — идеальное место для размещения самых чувствительных детекторов, которые ищут едва уловимые сигналы от сталкивающихся частиц, например, от ветра WIMP.

DAMA/LIBRA — один из экспериментов лаборатории Гран-Сассо. Снаружи она выглядит как большой бетонный куб размером в несколько метров. За толстым бетоном скрыты массивные свинцовые стены. Внутри находится защищенный от окружающей среды сверхчувствительный детектор частиц.

Детектор сделан из материала, который при столкновении с частицей, например WIMP, провоцирует небольшую вспышку света. Несмотря на наличие нескольких слоев защитной породы, бетона и свинца, здесь по-прежнему существуют различные типы известных частиц земного происхождения, и они тоже способны приводить к вспышкам света. Поэтому, видя вспышку света от детектора, ученые не могут точно сказать, виновата ли в этом темная материя или другие частицы. Но если изучить количество вспышек света в детекторе за несколько лет, то есть шанс все же увидеть следы ветра вимпов в Млечном Пути. Если некоторые из вспышек света вызваны столкновениями частиц темной материи, то в мае столкновений должно быть немного больше, чем в ноябре.

^{35C0 лооэ <4500 5C03}

Вспышки света в эксперименте. По оси ординат мы видим, как количество световых вспышек колеблется вверх и вниз вокруг среднего значения. По оси абсцисс — количество дней. Крестиками показаны измерения для эксперимента. Изогнутая линия показывает, чего ожидается от сигнала темной материи. На рисунке отражены данные за семь лет сбора, и мы ясно видим семь колебаний. Может, это ветер от вимпов?

Именно такой эффект ожидают увидеть исследователи, стоящие за экспериментом DAMA/LIBRA. Проанализировав данные за семь лет, они пришли к выводу, что каждый год в мае вспышек света на несколько процентов больше, чем в ноябре. Неужели они обнаружили следы быстрых потоков ветра с частицами вимп? Под горой в Италии проявился эффект карусели? Получается, они увидели темную материю? Как заявляет сама исследовательская группа — да. Но большинство других ученых настроены недоверчиво.

Нет никаких сомнений в том, что результаты эксперимента DAMA/LIBRA носят сезонный характер. Достаточно взглянуть на график выше. Вот только не факт, что причина этой сезонности — темная материя. Некоторые исследователи обратили внимание и на другие сезонные явления, которые, по их мнению, объяснят результаты эксперимента и без темной материи.

Например, есть версия, что сигнал исходит от мюонов, сталкивающихся с детектором. Мюоны создаются в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки космическими лучами. Сколько таких мюонов падает на Землю, зависит от температуры воздуха, а температура воздуха, как известно, в течение года меняется.

Однако самая большая проблема с DAMA/LIBRA заключается в том, что никакие другие эксперименты не смогли воспроизвести их результаты. Правда, никаких других экспериментов, где проводились бы точно такие же измерения с тем же типом детекторов, что и в DAMA/LIBRA, не осуществлялось. Но если вимпы — это темная материя и если при этом вимп не ведет себя сверхъестественным образом, решив сталкиваться исключительно с детектором в DAMA/LIBRA, тогда другие эксперименты должны подтвердить результаты DAMA/LIBRA. Пока этого не произошло.

Под землей проводится немало экспериментов по поиску столкновений с темной материей, и постоянно запускаются новые, все более точные. Некоторые из самых точных на момент написания книги результатов были получены в ходе эксперимента LUX, который проводится в США в шахте полуторакилометровой глубины. LUX — это аббревиатура от английского Large Underground Xenon experiment (Большой подземный ксеноновый эксперимент). Ксенон относится к так называемым благородным газам, которые не вступают в химические реакции с другими веществами. Во время эксперимента ксенон охладили до температуры около -100 °C, отчего он стал жидким. При столкновении частицы с атомами ксенона образуется как вспышка света, так и электрон. И все это зафиксирует детектор. Пока LUX ничего похожего на частицу темной материи не наблюдал. Если эксперимент DAMA/LIBRA действительно обнаружил темную материю, то LUX тоже должен был что-то зафиксировать. Большинство физиков сегодня считают, что ошибку допустили, скорее, в эксперименте DAMA/LIBRA, а не LUX.

DAMA/LIBRA и LUX — это лишь примеры двух экспериментов, которые занимаются поиском темной материи. Что касается остальных, большинство пришло к выводу, что увидеть темную материю им не удалось, хотя некоторые утверждают, будто все же что-то видели. Как правило, результаты «видевших» темную материю противоречат результатам «не видевших». В общем и целом, поиски темной материи — это хоть и хаотичное, но крайне интересное поле исследования. И расхождение результатов, наверно, даже неизбежно. Вне зависимости от того, где на Земле вы находитесь, везде присутствует естественное излучение от разных источников, а потому зерно от плевел отделить сложно. Детектор зафиксировал столкновение с частицей темной материи или это со свистом пролетел ничем не примечательный нейтрон? Чтобы увидеть редкие столкновения крошечных вимпов, требуется огромная точность, и исследователи постоянно пытаются довести свои эксперименты и исследования до идеала. Иногда это даже заходит слишком далеко.

А еще поиск частицы темной материи — хороший пример того, как исследования выглядят на самом деле. Если исследовательская группа заявляет об обнаружении чего-то, это еще не значит, что открытие внезапно стало общепринятой истиной. Во-первых, открытие должно быть проверено другими исследователями, желательно с привлечением других методов и других возможных источников погрешностей. Настолько далеко в поисках столкновений с темной материей мы еще не зашли.

Ряд новых экспериментов с еще более чувствительными детекторами находится на стадии разработки и строительства, и если темная материя на самом деле состоит из вимпов, то шансы ее обнаружения в ближайшие годы не так уж малы.

Но даже если нам не удастся зафиксировать столкновение вимпа на Земле, существуют и другие способы поиска. Ведь пока одни охотники на вимпы копают под горой, другие смотрят в космос. Чтобы понять, что именно ищут в космосе охотники за темной материей, пора представить новую экзотическую галактику на небе частиц — антивещество. Антивещество и эквивалентность массы и энергии

Каждой частице в Стандартной модели соответствует своя античастица. Существуют, например, антиэлектроны (известные также под названием позитрон), антикварки и антинейтрино. Стоит только соединить нужные антикварки, как получатся антипротоны и антинейтроны. Из антипротонов и антинейтронов можно сделать антиядра атомов, соорудить антиатомы, антилюдей и так далее. Да в целом для всего, что мы видим вокруг нас, можно сделать антиверсии.

Антивещество — это то же самое, что и обычное вещество или материя, только наоборот. Возьмем, например, позитрон (который можно считать антиэлектроном). Позитрон весит ровно столько же, сколько и электрон (у них одинаковая масса), но отличается знаком электрического заряда. Электрический заряд позитрона настолько же положительный, насколько заряд электрона отрицателен. Есть еще несколько свойств частиц, о которых я не упоминал, но и они будут противоположными. Если сложить позитрон и электрон вместе, у них получится нулевой электрический заряд. И вообще, если совместить частицу с ее античастицей, то их противоположные свойства приведут к тому, что почти все качества, делающие частицу частицей, окажутся на нуле. Вместе они становятся ничем. С одним только исключением: массой. Масса всегда положительна, независимо от того, рассматриваем мы частицы или античастицы. Частица и античастица уничтожают и сводят друг друга на нет. Исчезает все — кроме массы.

А что происходит с массой? Тут в игру вступает самая известная физическая формула, легендарная Е=mc² Эйнштейна. Формула говорит нам, что энергия и масса — это две стороны одной медали. Здесь Е обозначает энергию, т — массу (то есть то, что мы измеряем в килограммах), а с — скорость света в вакууме. Получается, что массу можно в той или иной форме преобразовать в энергию. А еще формула позволяет точно высчитать, сколько энергии соответствует конкретной массе. Или наоборот: если нам дана энергия, то можно узнать и массу.

Скорость света в вакууме — число очень большое. Что уж говорить о скорости света в квадрате. А это значит, что при относительно небольшой массе можно создать огромное количество энергии. Если бы можно было просто преобразовать, например, пятикилограммовый валун в чистую энергию, то эта энергия была бы эквивалентна годовой производительности гидроэлектроэнергии Норвегии.

Вернемся к частицам. Когда частица сталкивается с соответствующей античастицей, обе частицы исчезают. А если по-научному, то происходит аннигиляция. Остается только масса. И как раз эта масса и есть энергия. А вот энергия преобразуется по-разному. Она может, например, стать электромагнитным излучением. И так как даже маленькая масса дает много энергии, электромагнитное излучение будет обладать высокой энергией. Такое излучение называется гамма-излучением. А еще энергия может преобразоваться в новую пару частицы и античастицы, пути которых, возможно, дальше разойдутся.

Может показаться, что антивещество — это пустая теоретическая спекуляция. Но не тут-то было: за антивеществом наблюдали в бесчисленном множестве различных экспериментов с частицами. Мы не замечаем его в повседневной жизни, поскольку частицы антиматерии сразу же натыкаются на частицы обычной материи в этом не приспособленном для них мире и моментально аннигилируют. Но все же антивещество можно создать в мощных столкновениях — в ускорителе заряженных частиц, например. В них можно успеть взглянуть на античастицы до того, как они исчезнут. Антивещество существует: мы его видели. Но жизнь его на напичканной обычной материей Земле беззаботной не назовешь.