Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Самая известная на сегодняшний день попытка сформулировать теорию всего — это теория струн или ее вариант — теория суперструн. Согласно теории струн, природа в самой своей основе — это крошечные струны, существующие как минимум в десяти измерениях. Различные типы вибраций этих струн порождают все частицы и всё что мы можем наблюдать вокруг нас во Вселенной. Вот только откуда взялись десять измерений? Нам ведь и трех вполне хватает. Это да, но нельзя же исключать возможность существования большего количества измерений. Возможно, в них способны перемещаться лишь некоторые типы частиц либо эти дополнительные измерения настолько малы, что мы их просто не замечаем. Тем не менее теория струн носит спекулятивный характер и занимающиеся ей ученые пока далеки от разумных гипотез, поддающихся экспериментальной проверке. Для естественных наук характерна проверяемость предположений, поэтому некоторые ученые склонны считать, что теория струн ближе к математике или философии, чем к естественной науке.

Тем не менее во многих не угасает надежда, что объединить все фундаментальные взаимодействия возможно и что природа взаимодействий по сути до ужаса проста и основана на нескольких незамысловатых принципах. По крайней мере, эта идея уже доказывала свою состоятельность. Существует немало различных попыток найти более фундаментальные теории, но большинство из них объединяет одна отличительная черта. Ее мы и называем суперсимметрией. Вне зависимости от того, являетесь ли вы приверженцем теории струн или фанатом ТВО, помните: в научном сообществе считается, что суперсимметрия все же существует. А если она существует, то мы совсем скоро обнаружим ее экспериментально. А еще суперсимметрия может предоставить нам частицу вимп, тем самым разрешив проблему темной материи.

Получается, что основополагающая теория и эксперименты с самыми крошечными — такими, что меньше и не бывает, — элементарными частицами способны ответить на вопрос о том, что контролирует движение таких огромных галактик и их скоплений. По-моему, идея потрясающая!

Но что же такое суперсимметрия? Смотрите, все частицы в Стандартной модели делятся на два класса: фермионы (названные в честь Энрико Ферми, которого я постоянно вспоминаю) и бозоны (названные в честь индийского физика Шатьендранат Бозе). Все лептоны относятся к фермионам, в то время как переносчики взаимодействия и частица Хиггса — бозоны. Разница между фермионами и бозонами заключается в том, что мы называем квантовым спином, и именно он придает им некоторые характерные свойства. Не станем закапываться в подробности того, что такое спин и чем бозоны отличаются от фермионов. Сейчас нам куда важнее узнать, поможет ли суперсимметрия обнаружить вимпы. А она может предоставить нам целую кучу новых частиц. Ведь согласно суперсимметрии, для каждого фермиона должен существовать соответствующий суперсимметричный бозон. А для каждого бозона — суперсимметричный фермион. Такие частицы принято называть суперпартнерами. Скалярный суперпартнер электрона называется сэлектроном, партнер нейтрино — нейтра- лино, то есть к фермионам будет добавляться приставка «с−», а к бозонам — суффикс «−ино». Помимо этих суперпартнеров, как мы предполагаем, существуют еще и некоторые совершенно новые частицы, не имеющие прямого партнера в Стандартной модели.

Более того, мы рассчитываем, что все взаимодействия объединяет одна основная теория. А большинство подобных гипотез подразумевает существование суперсимметрии. И если все так и есть, то у нас сразу появится куча новых частиц.

На этом доводы в пользу существования суперсимметрии не заканчиваются: например, без суперсимметрии было бы трудно объяснить, почему масса бозона Хиггса именно такая, а не в разы больше. Объяснение того, как конкретно связана масса этой частицы с нашей гипотезой, займет уж слишком много времени. Однако эти частицы нам просто необходимы: на гипотезе о суперсимметрии покоятся базовые правила современной теории физики элементарных частиц!

Таким образом, появляется новая группа суперсимметричных частиц, без которых нашей теоретической модели никак не обойтись. Тем не менее в повседневной жизни таких суперсимметричных частиц мы точно не наблюдаем. Нет никакого параллельного суперсимметричного мира с людино, телефо- нино или лампино. Получается, не все идеально симметрично. Ни про наш, ни про тот зеркальный мир не скажешь, что все объекты симметричны. Но мы все же рассчитываем, что суперпартнеров можно создать в ускорителях частиц. Нам нужно всего-навсего заставить частицы врезаться друг в друга на огромных скоростях, чтобы получить достаточно тс для создания этих симметричных партнеров.

Суперсимметричных моделей множество — как говорится, всех форм и расцветок. Большинство простейших и наиболее изученных моделей объединяет достаточно низкая масса частиц, но для ускорителя БАК в ЦЕРНе это сложности не представляет. Тот факт, что на момент написания книги ученые еще не обнаружили следов суперсимметрии, уже доставляет немало хлопот тем, кто занимается физикой элементарных частиц. Может, уже совсем скоро исследователи докажут суперсимметрию или же окажется, что теория, стоящая за суперсимметрией, немного сложнее, чем мы думали? А может, вся концепция изначально была ошибочной? В какое удивительное время мы живем!

Так как же насчет вимпов? Считается, что большинство суперсимметричных частиц нестабильны, соответственно, живут они совсем недолго и вскоре распадаются и превращаются в другие частицы. Вот только легчайшая суперсимметричная частица, судя по всему, стабильна. И мы надеемся, что именно она займет место вимпа темной материи. Возможно, наиболее удивительный тип частиц в суперсимметричных теориях — это ней- тралино. Не исключено, что видов нейтралино множество, но легчайшие должны быть стабильны. Нейтралино — идеальный кандидат на роль вимпа: оно является своей собственной античастицей, следовательно, может аннигилироваться и оставлять улики, которые потом заметит, например, космический гамма-телескоп «Ферми» или магнитный альфа-спектрометр на МКС. Или же их обнаружат в подземных экспериментах с коллайдерами? Или вообще откроют после того, как в ЦЕРНе докажут существование суперсимметрии?

Вимпы — это кусочек большой запутанной головоломки. Весьма обнадеживает, что наши поиски не ограничиваются одним направлением. Если один эксперимент что-то обнаружит, то результат должен быть сопоставим с тем, что фиксируют остальные. И если найденные ими вимпы действительно образуют темную материю, то это открытие не должно противоречить нашим наблюдениям за Вселенной. И, прежде всего, темная материя также должна логично вписываться в теории, связанные с элементарными частицами. Вероятно, тут важную роль сыграет суперсимметрия.Другие кандидаты

До этого момента мы говорили только о вимпах. Но, как я уже намекнул, перечислив забавные названия, существует ряд других предположений о том, чем может быть темная материя. Я не намерен читать вам целую лекцию обо всех кандидатах на роль частицы темной материи, да и книга эта стала бы просто неподъемной, но парочку альтернатив вимпам я бы все же рассмотрел.

Интересный вариант — это так называемые стерильные нейтрино. Вы, возможно, помните три нейтрино из Стандартной модели. У них еще была очень низкая масса, а подчинялись эти частицы, помимо гравитационного взаимодействия, только слабому. Забавная особенность нейтрино заключается в том, что они ведут себя как трансвеститы Стандартной модели (я же говорил, что они крутые). Вы можете выпустить на волю, например, электронное нейтрино, но, если чуть позже поймать это же нейтрино, может оказаться, что оно превратилось в мюонное нейтрино или в тау-нейтрино. Эта способность нейтрино перевоплощаться не позволяет нам исключить возможность существования новых частиц: что, если три разных нейтрино из Стандартной модели могут так же преобразоваться в один или несколько других типов нейтрино, которые мы еще не обнаружили? И раз они пока не открыты, то, похоже, они не участвуют даже в слабом взаимодействии. Эти нейтрино будут ощущать лишь гравитационные силы. Такие частицы и называются стерильными нейтрино: они ощущают только гравитационное взаимодействие, но в то же время связаны со всем знакомой Стандартной моделью, в которой нейтрино превращаются из стерильных в обычные и наоборот. Темная материя не может состоять из обычных нейтрино, потому что они слишком легкие. А стерильным нейтрино ничто не мешает весить в разы больше, так что темная материя, вполне возможно, полностью или частично состоит из них.

Среди наиболее популярных кандидатов — частица под названием аксион. Точно так же, как и суперсимметричные частицы, аксионы — это гипотетические частицы, придуманные для того, чтобы Стандартная модель выглядела более красиво и логично. Основная задача аксионов — объяснить симметрию в сильном взаимодействии, но в подробности я вдаваться не буду. Если такие частицы существуют, то являются прекрасными претендентами на роль темной материи. Но самое занятное в этой гипотезе следующее: ожидается, что аксионы будут неприлично легкими, даже легче нейтрино. Вот только образуются они совсем по-другому, поэтому все равно могут оказаться темной материей. Поэтому предполагается, что они, даже несмотря на низкую массу, способны двигаться с относительно малой скоростью. Аксионы появляются и в теориях суперсимметрии, что делает их еще более привлекательными кандидатами на роль темной материи. Единственная проблема — пока эти частицы, понятное дело, никто не видел.

Есть еще сильно взаимодействующие частицы (SIMP). Это своего рода ответ сильного взаимодействия вимпам (слабовза- имодействующим массивным частицам). Пока симпы не настолько хорошо вписываются в наблюдения и теорию физики элементарных частиц, как вимпы. Но в любом случае сбрасывать их со счетов не стоит, а если открытие вимпом темной материи заставит себя ждать, то у симпов есть все шансы стать более популярными.

Помимо вимпов и симпов, предполагается существование различных классов частиц темной материи, способных взаимодействовать только друг с другом, игнорируя другие частицы Стандартной модели. Такие модели часто называют самовзаи- модействующей темной материей.

Охота на темную материю — отличный пример того, как взаимодействуют в наше время изучающая самые огромные из существующих объекты астрономия и физика элементарных частиц, объектом исследований которой является микромир. В одиночку физики, изучающие элементарные частицы, не смогут ответить на вопрос, что же все-таки представляет собой темная материя. Без помощи астрономов им не обойтись. Если астрономы смогут доказать, что Вселенная наполнена, скажем, вимпами, симпами или самовзаимодействующей темной материей, то у физиков, ищущих более всеобъемлющие теории, чем Стандартная модель, появится новая информация, и она существенно облегчит им задачу. Мы живем во времена, когда микроскопическая физика элементарных частиц столкнулась с наукой о Большом взрыве и наблюдениями за самыми огромными структурами, которые только существуют во Вселенной. Вот и сошлись два противоположных конца физической измерительной рулетки. «МАЧО» бросают вызов маленьким частицам