Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Мы наблюдали за вимпами разными способами: сначала смотрели, как они сталкиваются в детекторе на Земле, а затем — как они аннигилируют и излучают частицы. Я намекнул, что существуют захватывающие результаты измерений, но в подробности не вдавался. Я так скуп на подробности лишь потому, что в наше время охота на вимпы — это крайне хаотичное поле исследований. Бывает, что наблюдение, о котором физики, собравшись за обедом, сегодня горячо спорят, завтра при анализе данных оказывается глупой ошибкой. А то, что сегодня кажется незначительной деталью, через несколько лет вполне может вывести на след темной материи.

Но тем не менее приятно осознавать, что единственным методом при поиске вимпов не ограничиваются. Если подземный эксперимент заявит об обнаружении вимпов с определенными характеристиками, то эти результаты должны совпадать с наблюдениями за позитронами и гамма-излучением, а еще они не должны противоречить тому, что мы знаем о темной материи в нашей Галактике и в картине реликтового излучения. Всем частям большой и сложной головоломки следует оказаться на своих местах.

До сих пор мы говорили о поиске вимпов, не упоминая основоположника всех экспериментов с частицами — большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе. Бозон Хиггса открыли еще в 2013 году, а Нобелевскую премию давно поделили, но ускоритель частиц БАК по-прежнему заставляет частицы врезаться друг в друга — со все возрастающими скоростями. И на этот раз первое место в листе ожидания занимает частица темной материи.

Но прежде, чем мы увидим, как ищут темную материю в ЦЕРНе, давайте еще раз вернемся к рождению Вселенной. Все рассмотренные нами эксперименты основываются на том, что темная материя состоит из вимпов. Что же делает эти вим- пы столь привлекательными? Что это за «чудо-вимп»? Самое время еще раз вернуться к Большому взрыву. Фабрика вимпов в начале Вселенной

Вблизи Женевы, глубоко под землей, находится исследовательский центр ЦЕРН. На территории организации располагается самый масштабный и дорогой эксперимент над заряженными частицами — ускоритель заряженных частиц БАК (Большой адронный коллайдер). Ускоритель состоит, в частности, из 27-километрового кольца-туннеля, в котором частицы разгоняются до немыслимых скоростей. БАК часто называют машиной Большого взрыва, и на то есть основания. Когда ускоритель сталкивает частицы друг с другом со скоростью, практически равной скорости света, воссоздаются условия первой миллиардной доли секунды после Большого взрыва.

Сразу после Большого взрыва никаких сооруженных людьми ускорителей частиц, естественно, не было, но тем не менее Вселенная была наполнена все теми же мощными столкновениями, которые сейчас воссоздаются в ЦЕРНе. Почему все это происходило? Да потому что было адски жарко. Ведь как вы, возможно, помните, по мере перематывания времени назад, к Большому взрыву, Вселенная будет становиться все плотнее и раскаленнее. Когда некая субстанция, например газ, обладает высокой температурой, это просто-напросто означает, что частицы в нем быстро двигаются. Спустя миллиардную долю секунды после Большого взрыва частицы во Вселенной перемещались с огромными скоростями. В то же время Вселенная была гораздо более сжата, чем сегодня, и частицы, обитавшие в ней, непрерывно сталкивались. Из-за высоких скоростей эти столкновения были настолько же мощные, что и воссоздаваемые ЦЕРНом. А если посмотреть, что происходило в момент Большого взрыва, то станет очевидно, что температура была еще выше, а столкновения — более ожесточенными. Когда Вселенная была еще совсем молодой, в ней происходили столкновения того же типа, что и в адронном коллайдере, только происходили они буквально повсюду.

(В LHC-ускорителе ЦЕРНа сталкиваются протоны. В ранней Вселенной сталкивались всевозможные частицы. Механизмы те же, но, строго говоря, ускоритель LHC воспроизводит лишь небольшую часть того, что произошло во Вселенной сразу после Большого взрыва.)

Чем ближе мы подходим к Большому взрыву, тем больше появляется мощных столкновений на любой вкус и цвет. И чем яростнее частицы сталкиваются, тем больше энергии они выделяют. А формула Е=mc² говорит о следующем: чем больше энергии высвобождается, тем более тяжелые частицы можно создать. Ведь точно так же, как частица и античастица способны превратиться в энергию, энергия способна превратиться в частицу и античастицу. Если вимпы темной материи все же существуют, то в период, достаточно близкий к Большому взрыву, повсеместные столкновения, судя по всему, порождали их в неимоверных количествах. Получается, вимпы и множество других видов частиц должны были постоянно возникать и снова исчезать в водовороте первичного бульона Вселенной.

При настолько частых столкновениях этот первичный бульон находился в состоянии, которое называют термодинамическим равновесием. Это означает, что между различными частицами устанавливается определенное количественное соотношение. Однако Вселенная начинает остывать и расширяться. Столкновения становятся все более редкими и менее ожесточенными. А чтобы столкнуть вимпы, которые признают исключительно слабое взаимодействие, нужно еще постараться. И вскоре Вселенная настолько выгорает и охлаждается, что в столкновениях больше не рождаются вимпы. Сами же частицы темной материи сталкиваются и аннигилируются теперь крайне редко. Оставшиеся вимпы начинают свободно перемещаться по космосу, не сталкиваясь вообще ни с чем. Многие считают, что именно из этих вимпов и состоит окружающая нас сегодня темная материя — из тех самых вимпов, которые появились, когда возраст Вселенной составлял примерно миллиардную долю секунды, и которые не успели вовремя аннигилировать.

А вот и «чудо вимпа»: если вимпы существуют, то к их появлению привели именно экстремально высокие температуры сразу после Большого взрыва. За это отвечают правило Е=mc² и слабое взаимодействие. А если вимпы — стабильные частицы, то они должны были дожить и до наших дней. Мы примерно знаем, сколько материи есть сейчас во Вселенной. Темная материя должна весить примерно в пять раз больше, чем вся обычная. Сколько темной материи осталось от Большого взрыва, зависит от двух факторов: сколько частиц темной материи существует на сегодняшний день и сколько весит каждая из них. У нас есть теоретические основания полагать, что масса вимпа темной материи более чем в 100 раз превышает массу протона. Общее количество вимпов определяется тем, насколько они были подвержены столкновениям и аннигиляции в период сразу после Большого взрыва. Зная примерную массу вимпа, можно приблизительно оценить, насколько легко они будут сталкиваться. Так мы рассчитаем, сколько из них сейчас обитает в космосе. Количество полученных нами вимпов с такой массой почти идеально соответствует тому, сколько темной материи должно быть в нашей Вселенной.

То была длинная и, возможно, чересчур заумная череда аргументов и умозаключений. Суть в том, что благодаря знаниям физики элементарных частиц можно подсчитать, сколько должно быть вимпов во Вселенной сегодня, если они, конечно, существуют. Это число прекрасно согласуется с количеством темной материи, которое мы рассчитываем найти в ходе наблюдений за космосом. Это и есть «чудо вимпа»: они идеальные кандидаты на роль частицы темной материи по мнению как физиков, так и астрономов.

Но тут возникает проблема. Предположим, вимпы действительно ведут себя именно так: масса у них чуть более чем в 100 раз превышает массу протона, а сталкиваются они именно так часто, как мы думаем. Ну тогда эксперименты по поиску вимпов должны были уже давно справиться со своей задачей. Но этого почему-то не произошло. По крайней мере никаких однозначных открытий сделано не было. Вот так «чудо вимпа» и превратилось в проклятие. Если эти частицы существуют, почему же наши эксперименты их не улавливают? Многие считают, будто вимпы скрываются за пределами досягаемости сегодняшних экспериментов и вот-вот будут обнаружены.

Когда я говорю, например: «У нас есть теоретические основания полагать», это не означает, что подобным утверждениям следует безоговорочно верить. Пока мы точно не знаем, что в и мп за частица, так что сложно сказать что-то конкретное о ее поведении, массе и так далее. Тем не менее давайте взглянем на некоторые аспекты физики, скрывающиеся, по нашему мнению, за пределами Стандартной модели. Одна из наиболее обсуждаемых гипотез — существование того, что называют суперсимметрией. Многие физики убеждены, что существует суперсимметрия и в скором времени мы откроем целую кучу так называемых суперпартнеров. Что же такое суперсимметрия? Каким образом она поможет нам разобраться с вимпами? И как тогда обнаружить такой вимп? Давайте-ка посмотрим, что предлагает нам суперсимметрия. Симфония сверхсимметрий

В Стандартной модели мы оперируем четырьмя различными фундаментальными взаимодействиями: гравитационным, электромагнитным, сильным и слабым. Но действительно ли четыре взаимодействия — полностью независимые явления? Или же это просто разные проявления некой первичной силы, из которой все и берет начало? Объясню на примере: вот представьте, что идете по улице и внезапно ощущаете, как вам заехали кулаком в спину и ногой в ногу. Вы ощутили два разных удара, но вполне естественно предположить, что в обоих инцидентах виновен один первобытный кретин.

История современной физики — это череда объединения все большего количества явлений, прежде считавшихся независимыми. Классический тому пример — работы Джеймса Клерка Максвелла, которого я упоминал ранее. В середине XIX века ему удалось объединить электричество и магнетизм в единую систему. Он доказал, что электричество и магнетизм — это две стороны одной медали, связал два природных явления. Кроме того, ученый обнаружил математическую симметрию между электричеством и магнетизмом. Например, когда магнитное поле исчезает, оно переходит в электрическое. И наоборот, электрическое переходит в магнитное.

Спустя более сотни лет, в 1979 году, Нобелевская премия по физике была присуждена трем физикам, сумевшим объединить два других взаимодействия. Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг удостоились премии «за вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами». Теперь электрические и магнитные силы были связаны не только друт с другом, но и со слабым взаимодействием. Таким образом, электромагнитное и слабое взаимодействия — это всего лишь два разных проявления одной и той же силы. Мы называем ее электрослабым взаимодействием. При достаточно высоких температурах, какие существовали сразу же после Большого взрыва или же в сегодняшних ускорителях частиц, электромагнитное и слабое взаимодействия фактически сливаются в единую силу. Это и есть электрослабое взаимодействие.

Не странно ли, что современные физики спят и видят объединение слабого и сильного взаимодействий? Объединенная теория, о которой все так мечтают, известна под названием Теории Великого Объединения, или — в узких кругах — просто ТВО. А еще неплохо бы объединить с остальными и гравитационное взаимодействие. Голубая мечта подавляющего большинства физиков-теоретиков — создать теорию, где все фундаментальные взаимодействия естественным образом вытекают из одной основополагающей теории. Такое гипотетическое объединение часто называют теорией всего, или единой теорией.