Pro темную материю

Распространению фотографии помогло НАСА, которое для наглядности ее раскрасило: видимый газ красным цветом, а темную материю голубым. Одно облако газа похоже на изображение ударной волны от летящей пули, которое знакомо многим по учебникам. Облако изменило свою форму во время столкновения двух скоплений галактик. В результате этого столкновения образовалось бóльшее скопление, получившее название скопление Пули (эту знаменитую фотографию вы видите на обложке настоящей книги).

Имеющаяся в скоплении темная материя взаимодействовала с обычной материей только посредством гравитационных сил. Явное разделение темной материи указывает на то, что темная материя действительно существует. В газетах, где печаталась фотография, заголовки гласили: «НАСА находит прямое доказательства существования темной материи». С этим не согласился Дуглас Клоуи, который заявил, что «прямым» доказательством будет «поимка частицы». А разве такое возможно? Ее нельзя поместить в бутылку и привезти вашей тетушке в Миссури.

Частицы-претенденты

Какие же частицы претендуют на роль темной материи? Я уже упоминал некоторые из них выше. Теоретики придумали множество версий частиц темной материи, а экспериментаторы сконструировали и опробовали различные детекторы, предназначенные для их регистрации. Например, поиск бозона Хиггса занял в общей сложности 23 года (1989–2012) и проводился он на трех коллайдерах: Большом электрон-позитронном коллайдере, Тэватроне и Большом адронном коллайдере. Темную материю с 1990 года ищут на десятке установок, но пока безуспешно.

Теперь давайте рассмотрим эти частицы более подробно. В первую очередь это аксион – гипотетическая нейтральная элементарная частица, которую в 1977 году предложили американский физик итальянского происхождения Роберто Печчеи, работающий в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, и австралийка, работающая в Гарвардском университете, Хелен Куинн. Роберто Печчеи и Хелен Куинн пытались разрешить проблему теории сильных ядерных взаимодействий – квантовой хромодинамики. В ее основное уравнение не заложено сохранение CP-симметрии, которая осуществляет зеркальное отражение и меняет частицы на античастицы. Нарушение симметрии должно приводить к появлению у нейтрона дипольного электрического момента, а этого в экспериментах не наблюдается. Печчеи и Куинн предложили красивую модель, снимающую это противоречие. Из нее вытекает существование легких стабильных частиц, которые не несут электрических зарядов, но в сильных магнитных полях индуцируют возникновение фотонов. Это и есть аксионы. Позднее космологи показали, что аксионы могут быть вполне приемлемыми кандидатами в частицы темной материи.

Роберто Печчеи, американский физик (род. в 1942)

Хелен Куинн, австралийский физик (род. в 1943)

Правда, название аксион придумали не Печчеи с Квинн, а другой физик, американец Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года. Axion – это марка стирального порошка, и частица по задумке должна была «очистить» квантовую хромодинамику от проблемы сильного CP-нарушения. То есть физики обнаружили нарушение определенной симметрии в природе, при котором законы физики переставали работать, если частицу и античастицу поменять местами. Поэтому и была предложена частица с определенными свойствами, которая эту проблему решит.

Аксион должен распадаться на два фотона, а его масса зависит от величины вакуумного ожидания полей Хиггса. Аксион должен составлять одну триллионную массы электрона. То есть если аксионы существуют, они будут в триллион раз легче электрона (согласно теоретическим оценкам, их массы измеряются всего лишь миллионными долями электронвольта), и шанс на их взаимодействие или соединение с барионной материей ничтожно мал. Но это на сегодняшний день кандидат номер один на небарионную составляющую скрытой массы (или темной материи) в космологии. Великое множество таких частиц могло родиться вскоре после Большого взрыва и обеспечить недостающую массу.

Брукхейвенская национальная лаборатория. В ней постоянно работает более 3000 ученых. Открытия, совершенные в лаборатории, были награждены семью Нобелевскими премиями

Эксперименты по обнаружению аксиона проводятся с 1990-х годов, а в ЦЕРН – Европейском центре ядерных исследований – начиная с 2003 года. ЦЕРН – крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий, и ее основная цель – эксперименты в области физики частиц.