Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

Нет ничего удивительного в том, что значительная часть вещества Вселенной может оказаться недоступна наблюдению, но истории скрытой массы в настоящее время недостает главного. Решающим доказательством в пользу этой теории могло бы стать создание новых частиц с нужными свойствами в каком-нибудь ускорителе, скажем, в Большом адронном коллайдере. При помощи этого внушительного аппарата ученым не так давно удалось провести эпохальные наблюдения бозона Хиггса — частицы, которая объясняет, почему многие (но не все) частицы имеют массу. Но до сих пор в экспериментах на ускорителях не удалось обнаружить никаких частиц темного вещества. В космических лучах — высокоэнергетических частицах из дальнего космоса, в больших количествах падающих на Землю, — тоже не удалось ничего обнаружить.

Таким образом, хотя во Вселенной полно этой материи, темное вещество встречается в ней куда чаще, чем обычное, — но куда бы мы ни посмотрели, везде мы видим только обычное вещество.

Физики приводят различные примеры. Безумные гипотетические частицы им хорошо знакомы. Классический случай — нейтрино, вывод о существовании которого был сделан на основании применения закона сохранения энергии к определенным типам взаимодействия частиц. Нейтрино выглядело очень странно по сравнению с известными на тот момент частицами: не имело электрического заряда, почти не имело массы, могло почти беспрепятственно пройти Землю насквозь. Все это звучало нелепо, но эксперименты в конце концов выявили нейтрино. Сегодня делаются первые шаги в направлении нейтринной астрономии: ученые пытаются использовать эти частицы для зондирования далеких областей Вселенной.

В то же время множество гипотетических частиц оказалось плодом разыгравшегося воображения теоретиков.

Некоторое время считалось, что мы, возможно, просто не замечаем большое количество совершенно обычного «холодного темного вещества» — его собирательное имя было «массивные компактные объекты гало» (MACHO). Этот термин описывает любые тела, которые состоят из обычного вещества, почти не излучают и могли бы существовать в галактических гало, — это коричневые карлики, тусклые красные и белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры… даже планеты. Когда загадка кривых вращения была выявлена впервые, именно такое вещество было очевидным кандидатом на роль скрытой массы. Однако массивных компактных объектов гало, судя по всему, не хватит, чтобы объяснить громадное количество ненаблюдаемого вещества, которое, по мнению космологов, обязательно должно где-то там присутствовать.

Необходим совершенно новый тип частиц. Это должно быть нечто, о чем теоретики уже думают или могут начать думать, и по определению это должно быть нечто, о существовании чего мы пока не знаем. Так что нам ничего не остается, как только с головой погрузиться в рассуждения.

Один из возможных вариантов — ряд гипотетических частиц, известных как слабо взаимодействующие массивные частицы, или вимп-частицы (WIMP). Предположение состоит в том, что эти частицы появились из плотной перегретой плазмы ранней Вселенной и взаимодействуют с обычным веществом только через слабое ядерное взаимодействие. Такая частица подходит под наши требования, если обладает энергией около 100 ГэВ. Теория суперсимметрии — один из ведущих кандидатов на роль объединителя теории относительности и квантовой механики, предсказывает новую частицу именно с такими параметрами. Это совпадение известно как вимп-чудо. Когда начались наблюдения на Большом адронном коллайдере, теоретики надеялись, что он сможет увидеть целую кучу суперсимметричных партнеров известных частиц.

Как бы не так.

Большой адронный коллайдер исследовал широкий диапазон энергий, включая и 100 ГэВ, и не увидел абсолютно ничего, что не укладывалось бы в Стандартную модель элементарных частиц.

Несколько других экспериментов по поиску вимп-частиц тоже не принесли никаких результатов. Никаких следов их не было обнаружено в излучении близлежащих галактик, и в лабораторных экспериментах, нацеленных на обнаружение остатков от их столкновений с ядрами, они тоже блистательно отсутствуют. Итальянский детектор DAMA/LIBRA с завидной регулярностью видит нечто похожее на сигнал вимп-частиц, которые при попадании в кристалл иодида натрия могут давать вспышку света. Эти сигналы возникают регулярно, как по расписанию, каждый июнь [97] Частота регистрации выше всего в июне. — Прим. ред. , что позволяет предположить, что в какой-то конкретной точке своей орбиты Земля проходит через пучок вимп-частиц. Проблема в том, что другие эксперименты тоже должны регистрировать эти частицы, а этого не происходит. DAMA что-то видит, но это, вероятно, не вимп-частицы.