Сабина Хоссенфельдер - Уродливая Вселенная [Как поиски красоты заводят физиков в тупик]

Со времен Паули постулирование новых частиц стало любимым занятием теоретиков. У нас имеются: преоны, сфермионы, дионы, магнитные монополи, симпы, вимпы, вимпзиллы, аксионы, гигантские магноны, максимоны, «макро», скирмионы, стерильные нейтрино (и это я перечислила только самые популярные) [99] Сюда, в примечание, вынесены те частицы из перечня автора, которые, по-видимому, еще не успели обзавестись устоявшимися названиями на русском языке: флаксионы (англ. flaxions ), эребоны ( erebons ), «рога изобилия» ( cornucopions ), браноны ( branons ), кускутоны ( cuscutons ), планконы ( planckons ). Так они, скорее всего, именовались бы. – Прим. перев. . У нас даже есть «нечастицы». Ни одну из них никто никогда не видел, но их свойства тщательно описаны в тысячах опубликованных научных статей.

Первое правило изобретения новой частицы звучит так: вам нужна уважительная причина, почему эта частица еще не была обнаружена. Вы можете постулировать, что для ее рождения нужна слишком большая энергия, или что эта частица взаимодействует слишком редко – и чувствительности существующих детекторов просто не хватает, или и то и другое.

Схоронить новые частицы подальше, на высоких энергиях, особенно модно в физике высоких энергий. Для рождения частицы много энергии может требоваться либо потому, что сама частица очень массивна, либо потому, что частица сильно взаимодействующая и, чтобы ее увидеть, связь нужно разорвать. Альтернативный вариант – объяснять отсутствие обнаружения предполагаемой слабостью взаимодействия – больше приветствуется в астрофизике, поскольку такие частицы становятся неплохими кандидатами на роль темной материи. В совокупности и те и другие частицы составляют так называемый скрытый сектор теории.

Вселенная что-то от нас скрывает. Мы знаем об этом с 1930-х годов, когда Фриц Цвики направил стодюймовый [100] 2,54 метра в диаметре. – Прим. перев. телескоп Хукера на скопление Волосы Вероники – несколько сотен галактик, связанных взаимным гравитационным притяжением. Галактики движутся со средней скоростью, определяемой суммарной массой скопления, удерживающей их вместе. Цвики, к своему удивлению, обнаружил, что движутся они значительно быстрее, чем могла бы объяснить их общая масса. Он предположил, что скопление содержит дополнительное невидимое вещество, и назвал его dunkle Materie – темной материей.

Это не осталось единственной странностью в небе. Когда Вера Рубин сорок лет спустя изучала вращение спиральных галактик, то заметила, что звезды во внешних областях галактик обращаются вокруг центра быстрее, чем должны были бы. Так происходило в каждом из более чем шестидесяти исследованных ею случаев. Скорость, необходимая для того, чтобы звезда оставалась на устойчивой орбите, зависит от суммарной массы в центре траектории движения. И раз внешние рукава галактик так быстро вращаются, значит, галактики должны содержать больше вещества, чем можно увидеть. Они должны содержать темную материю.

По мере того как проводились все новые эксперименты, накапливались доказательства, что подобное происходит во Вселенной повсюду. Флуктуации реликтового излучения согласуются с другими данными, только если мы добавляем в расчеты темную материю. Темная материя также нужна, чтобы привести формирование галактических структур во Вселенной в соответствие с данными наших наблюдений. Без темной материи Вселенная просто не выглядела бы такой, какой мы ее видим. Следующее доказательство связано с гравитационным линзированием – искривлением траектории света, вызываемым искривлением пространства-времени. Скопления галактик отклоняют свет больше, чем может объяснить их видимая масса. Там должно быть что-то еще, чтобы столь сильно искривлять пространство-время.

Сначала родилось предположение, что галактики содержат неожиданно много трудноразличимых звездных объектов вроде черных дыр или коричневых карликов. Но такие объекты должны тогда присутствовать и в нашей Галактике, вызывая существенно большее гравитационное линзирование, – чего не наблюдается. Идея, согласно которой темная материя состоит из сверхкомпактных объектов с массами гораздо меньшими, чем у типичной звезды, не была полностью сброшена со счетов, поскольку они бы не искривляли траектории света в достаточной степени, чтобы вызвать поддающееся наблюдению гравитационное линзирование. Неясно, однако, как вообще подобные объекты сформировались бы. Поэтому физики сейчас оказывают предпочтение другому типу темной материи.