Тёмная материя: Охота на невидимку
А что, если я скажу, что тёмную материю, хоть и не видно, но perhaps можно услышать? Да, знаю, звучит безумно… потому что так оно и есть. Но это как раз тот случай, когда безумие может сработать. Речь идёт о реальном эксперименте под названием… сейчас посмотрю… «Криогенный поиск редких событий с помощью сверхпроводящих термометров», или CRESST (да, там две буквы «s», на всякий случай). Аббревиатура не самая элегантная, но придётся смириться.
Всё это безобразие происходит глубоко под горой Гран-Сассо в центральной Италии (что, кстати, переводится как «Большая Скала» — сохраните этот факт для следующего свидания). Сердце эксперимента — гигантский кристалл вольфрамата кальция, он же шеелит. Этот кристалл охлаждают до невообразимо низких температур, всего несколько милликельвинов, на самой грани перехода в сверхпроводящее состояние.
Идея в том, что если частица тёмной материи пролетит сквозь детектор, она заставит кристалл вибрировать (энергия ведь должна куда-то деться). Эти колебания нарушат сверхпроводящее состояние, что и зафиксирует оборудование.
CRESST работает уже много лет, но так и не поймал ни одной частицы тёмной материи с уверенностью на 100%. Однако в науке эксперимент считается провальным, только если ты ничего не узнал. А мы с CRESST определённо кое-что выяснили. А именно — мы узнали, какой тёмная материя НЕ является.
В научных статьях по этой теме часто встречаются вот такие графики и диаграммы. Суть в чём: мы не знаем, что из себя представляет частица тёмной материи. У нас есть догадки, основанные на разных теориях, но её точные свойства — загадка. В частности, мы не знаем её массу и насколько легко или редко она взаимодействует с обычной материей.
Наблюдения за Вселенной позволили нам установить некоторые ограничения и отбросить массу вариантов, например, нейтрино. Но дальше начинается чистая рулетка. А значит, перед нами стоят две задачи. С одной стороны, нужно придумывать правдоподобных и теоретически обоснованных кандидатов — тут не обойтись без творческого мозгового штурма, теорий и предположений. С другой — нужно создавать эксперименты, которые либо смогут опровергнуть конкретных кандидатов, либо, на худой конец, установят более строгие ограничения на возможные свойства тёмной материи.
Именно так мы получаем те самые графики, которые показывают, как тот или иной эксперимент исключил определённые диапазоны масс и силы взаимодействия. Просто ведя наблюдения и ничего не находя в течение долгого времени, можно с уверенностью заявить: «Тёмная материя не может иметь такую-то массу и такую-то силу взаимодействия». И так снова, и снова, и снова. И, конечно, эксперимент не один. Помните, тёмная материя может иметь самый разный вес и «общительность», и ни один детектор не в состоянии охватить весь этот диапазон.
Возможная масса частицы тёмной материи может варьироваться в невообразимом диапазоне — более 50 порядков величины. В мире частиц массу измеряют в электронвольтах (эВ). На верхней границе шкалы отдельная частица может весить 10²⁴ — 10³⁰ эВ, что сравнимо с массой бактерии или маленького насекомого. Мы вообще-то считаем, что частицы тёмной материи не могут быть намного тяжелее, потому что объекты с массой, скажем, планеты или звезды, мы бы уже давно обнаружили с помощью гравитационного линзирования.
На другом конце шкалы находятся ультралёгкие частицы тёмной материи с массой вплоть до 10⁻²¹ электронвольт, что открывает совершенно фантастические возможности, о которых я расскажу чуть позже.
Но десятилетиями нашим главным кандидатом был ВИМП — слабовзаимодействующая массивная частица. Мы полагали, что её масса составляет несколько миллиардов или триллионов эВ, что близко к массе известных тяжёлых частиц, таких как W- и Z-бозоны или t-кварк. То есть, крупная, но не гигантская. ВИМПы нам нравились, потому что различные теоретические расширения Стандартной модели предсказывали существование частицы как раз в этом диапазоне масс и с нужными свойствами (то есть, по большей части невидимой).
Я буду повторять это снова и снова: ВИМПы — не самая гениальная идея во всей физике, а вся гипотеза тёмной материи построена на косвенных уликах. Но из всех вариантов, что у нас есть, это наименее плохой. Это ПРОСТЕЙШЕЕ объяснение, которое покрывает наибольшее число наблюдений. Это отражение принципа, который мы в физике очень ценим, — принципа бережливости (бритва Оккама). Мы относимся к теоретическим идеям, как к аспирантам: как получить максимум работы при минимуме усилий, или как извлечь максимальную объяснительную силу из минимального числа допущений.
У гипотезы тёмной материи есть недостатки, и она точно не может объяснить все наблюдения, а ВИМПы — это всего на волосок выше, чем сказочные эльфы и феи. Но любая другая гипотеза содержит в себе БОЛЬШЕ допущений (больше движущихся частей) и при этом обладает МЕНЬШЕЙ объяснительной силой (соответствует меньшему числу наблюдений).
Так что… что ж… пока остановимся на ВИМПах.
До тех пор, пока не появится что-то лучше. Потому что сколько бы мы ни спорили о простоте, наблюдениях и альтернативах, в науке последнее слово остаётся за природой. Именно она решает, каким идеям жить, а каким — умереть. Нам нужно прямое, недвусмысленное, экспериментальное подтверждение, если мы хотим и дальше развивать историю с тёмной материей. Именно для этого мы и построили эксперименты вроде CRESST — чтобы охотиться на ВИМПы, собрать пару-тройку Нобелевских премий и двинуться дальше, к другим нерешённым загадкам космологии.
Мы запустили по всему миру десятки экспериментов по прямому обнаружению ВИМПов — частиц тёмной материи в этом конкретном диапазоне масс. И они все устроены по-разному. Есть, например, сцинтилляционные детекторы, которые используют огромные ёмкости со сжиженным благородным газом, например, в несколько тонн ксенона. Они ждут, когда частица тёмной материи ударит по атому ксенона и вызовет сцинтилляцию — это умное научное слово означает «вспышку». Увидели вспышку — обнаружили тёмную материю.
Но ВИМПы не одиноки. Они всего лишь один пример из целого зоопарка кандидатов в тёмную материю, у которых есть восхитительные названия: Q-шары, ВИМПиллы и стерильные нейтрино. Мы настраиваем разные эксперименты на разные диапазоны масс и сил взаимодействия, чтобы покрыть как можно большую часть этого широкого спектра. Мы даже пытались создать различные виды тёмной материи в наших коллайдерах.
И вот здесь начинается самое интересное. Поскольку прямые поиски ВИМПов пока не увенчались успехом, астрофизики и физики-теоретики стали активнее исследовать альтернативы. На сцену выходят те самые ультралёгкие частицы, такие как аксионы и тёмные фотоны. Их невероятно малая масса делает их больше похожими на квантовые волны, разлитые по всей Вселенной, чем на отдельные точечные частицы. Представьте себе невидимый океан, сквозь который мы все плывём. Его рябь могла бы влиять на поведение звёзд, галактик и даже на поляризацию света из дальних уголков космоса.
Именно эту «рябь» и пытаются уловить новые поколения экспериментов. Некоторые из них ищут специфические искажения в сигналах от пульсаров — быстро вращающихся нейтронных звёзд, работающих как космические маяки. Другие пытаются обнаружить влияние тёмной материи на вращение электронов в мощных магнитных полях в лабораториях на Земле. Это уже не охота за единичным «выстрелом», а попытка услышать тихий, но всепроникающий «гул» тёмной материи.
Так что, возможно, мы действительно не можем увидеть тёмную материю. Но, прислушавшись — с помощью самых точных и чувствительных «ушей», которые только способна создать наука, — мы однажды сможем разобрать её шёпот в общей симфонии Вселенной. И этот день навсегда изменит наше представление о реальности.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
