Pro темную материю

В соответствии с теорией суперсимметрии у каждой частицы стандартной модели есть так называемый суперпартнер (или суперпартнеры), чей спин на ½ отличается от собственного спина частицы. Поэтому частицам с полуцелым спином, фермионам, соответствуют суперпартнеры с целым спином, бозоны, а суперпартнерами бозонов являются фермионы. Суперчастицы могут распадаться, но самая легкая из них обязана быть стабильной. Именно ее считают лучшим кандидатом на роль частицы темной материи и пытаются зарегистрировать в большинстве экспериментов. То есть у каждого бозона есть партнер-фермион. У фотона есть фотино, а у нейтрино должен быть нейтралино. Частица нейтралино стабильна, участвует в слабом и гравитационном взаимодействии. Суперпартнеры Z-бозона, фотона и бозона Хиггса (соответственно зино, фотино и хиггсино) имеют одинаковые квантовые числа, они смешиваются и образуют собственные состояния массового оператора, эти состояния и называются нейтралино. Свойства нейтралино зависят от того, какая из составляющих (зино, фотино, хиггсино) доминирует. Из всех теоретически мыслимых версий частицы темной материи ученые предпочитают нейтралино, являющуюся квантовой смесью суперпартнеров фотона, Z-бозона и бозона Хиггса.

Теоретики уже давно пытаются предсказать, сколько этих нейтралино должно было выжить до наших дней, а также массу нейтралино. Когда два этих числа сложили, получилось практически то количество темной материи, которое, по разным оценкам, существует во Вселенной. Физикам также понравилось, что нейтралино никто не изобретал специально для решения проблемы темой материи. Нейтралино «там» есть, а его возможная связь с темной материей – это просто «бонус». Нейтралино – это вимп, о которых я тоже говорил выше. Вимп не взаимодействует через электромагнетизм, а это означает, что мы его не увидим ни на одной длине волны, и редко взаимодействует с атомным ядром. Нейтралино пытаются обнаружить уже с конца 1980-х годов, и особенно активно с 2003 года. Считается что эта частица – «любимчик» у физиков именно благодаря указанным в начале этого абзаца расчетам. Вес нейтралино должен быть в 50, а то и 100 раз меньше массы протона. Но после многих лет экспериментов с нулевым результатом многие склонились в сторону аксиона, назвав его кандидатом номер один.

Гравитон – это гипотетическая элементарная частица без массы, переносчик гравитационного взаимодействия без электрического и других зарядов. Гипотеза о существовании гравитонов появилась благодаря квантовой теории поля и моделированию поведения остальных фундаментальных взаимодействий с помощью подобных частиц: фотоны в электромагнитном взаимодействии, глюоны в сильном, бозоны в слабом. Аналогично за гравитационное взаимодействие должна отвечать некая элементарная частица. Термин был предложен в 1930-х годах, считается, что его авторы русские ученые Д. Блохинцев и Ф. Гальперин. Нельзя исключать, что гравитоны являются квазичастицами, удобными для описания слабых гравитационных полей в масштабах длины и времени, которые существенно больше планковской длины и планковского времени, но непригодными для описания сильных полей и процессов с характерными масштабами, близкими к планковским. В теориях супергравитации вводится гравитино – суперпартнер гравитона, как нейтралино у нейтрона.

Как ищут вимпы? Используются прямые и косвенные методы. Прямой поиск – это выявление их столкновений с ядрами обычной материи, служащей рабочим телом детектора. Считается, что в 1 м3 пространства вблизи земной поверхности содержится от нескольких сотен до нескольких тысяч вимпов. При столкновениях они теряют часть кинетической энергии и отдают ее детектору. Подобные столкновения происходят всего несколько раз в сутки, выделяемая энергия очень мала, но их можно зарегистрировать и отделить от столкновений с космическими лучами и земными радионуклидами. При отскоке ядра могут излучаться кванты света, которые уловят фотоумножители. При столкновении с вимпом атом может превратиться в ион, потерять часть электронов, которые можно детектировать.

Если в качестве рабочего тела используется материя в твердом состоянии, столкновения возбуждают колебания кристаллической решетки, и их тоже можно отследить. В реальных экспериментах три указанных выше способа можно скомбинировать. Самыми чувствительными детекторами вимпов являются установки на жидком ксеноне. В них используется комбинированный подход. Косвенный поиск темной материи обычно направлен на регистрацию гамма-квантов, которые могут родиться при столкновениях вимпов в дальнем космосе и, например, внутри Солнца. Поскольку природа вимпов неизвестна, пока никто в точности не знает, что нужно искать и как интерпретировать полученные результаты.