Сергей Парновский - Как работает Вселенная - Введение в современную космологию

Физика полей и частиц выработала массу гипотез и теорий, предсказывающих существование частиц, которые могли бы претендовать на роль вимпов, например аксионы, гравитино, фотино, нейтралино, массивные экзотические нейтрино и многие другие. Мы не будем останавливаться на различиях между этими частицами, поскольку сейчас нет никаких оснований предпочесть одни из них другим. Более подробно об этих частицах можно прочитать в обзоре (Петер, 2012). Практически единственное, что можно сказать о вимпах, – это то, что они не могут иметь очень маленькую массу покоя, поскольку иначе они бы не подпадали под определение холодной материи. Теоретически могли бы существовать частицы с малой массой покоя, которые родились холодными и взаимодействовали настолько слабо, что до сих пор не успели разогреться. Такими частицами могут быть аксионы с массой покоя около 0,02 эВ. Даже более массивные нейтрино, имеющие, по последним данным, массу покоя менее 2 эВ, в ранней Вселенной вынуждены были двигаться со скоростью, близкой к скорости света. К настоящему моменту они замедлились до примерно одной сотой скорости света. Содержание же нейтрино во Вселенной не превышает 1,3 %. Поэтому большинство исследователей склоняются к мысли, что масса вимпов должна существенно превышать массу нейтрино. А так как частицы с массами порядка массы протона легко получаются на ускорителях, то масса вимпов, скорее всего, также должна быть существенно больше массы нуклонов.

Во всех описанных выше методах темная материя характеризовалась исключительно своей массой. Для того чтобы исследовать ее состав и свойства, нужно измерить параметры еще хотя бы одного взаимодействия с ее участием. Как следует из определения темной материи, такое взаимодействие может быть только слабое. Поэтому в случае, если темная материя является зеркальной, нет возможности прямого определения ее состава. Однако возможны косвенные подтверждения. Теории, предсказывающие существование стерильного нейтрино, дают немного другие предсказания, которые можно проверить. Наконец, если какая-то из теорий сможет правильно предсказать, например, плотность темной материи, связав ее с иными параметрами, это будет свидетельствовать в пользу ее существования.

Если же речь идет о вимпах, способных испытывать слабое взаимодействие, то можно попытаться наблюдать эти реакции в лаборатории. Определить параметры вимпов в таком прямом эксперименте было бы наиболее надежным способом. В случае, если никаких реакций не будет обнаружено, это позволит установить верхний порог сечения слабого взаимодействия вимпов. Ситуация в чем-то похожа на ту, с которой имели дело специалисты по элементарным частицам, когда пытались обнаружить в экспериментах воздействия нейтрино, приходящих из космоса, например образующиеся при термоядерных реакциях на Солнце. Для того чтобы на эксперимент не влияли космические лучи, имеющие меньшую проникающую способность, чем нейтрино, эксперименты проводили под землей в шахтах или туннелях, нередко под горными массивами.

Сейчас многие из этих лабораторий ведут также поиски вимпов. Основная идея заключается в том, что вимпы каким-то образом взаимодействуют с веществом детектора, и результаты этой реакции регистрируются одним из многочисленных способов, перечисленных в обзоре (Cline, 2014). При этом если в случае нейтрино были точно известны ожидаемые реакции, то в случае вимпов можно ожидать все что угодно. Естественно, что реакции, вызываемые нейтрино, не подходят для поиска вимпов. Вообще, обнаружить в этих экспериментах неизвестную реакцию намного проще, чем доказать, что она связана именно с вимпом. Единственное убедительное доказательство в данном случае – это столь любимое математиками доказательство «от противного», т. е. нужно зафиксировать такую реакцию, которая не может быть вызвана ни одной известной частицей или ядром. Таким образом, перефразируя Конфуция, можно сказать, что трудно искать темную материю в темной комнате, особенно если не знать, можно ли ее, в принципе, обнаружить.

Дополнительная трудность при поиске вимпов связана с тем, что практически невозможно полностью избавиться от радиоактивного фона. Основными помехами являются β- и γ-распад, которые достаточно легко отделить по электромагнитному взаимодействию, а также потоки нейтронов, особенно неприятные тем, что по воздействию на детектор их трудно отличить от вимпов. К счастью, сечение рассеяния нейтронов существенно больше, чем у вимпов, поэтому считается, что в достаточно больших детекторах они рассеиваются более одного раза. Естественно, обе эти помехи также можно уменьшить путем экранирования детектора и использования материалов, очищенных от радиоактивных примесей.