Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик

Объяснение, привлекшее больше всего внимания, заключается в следующем: темная материя состоит из частиц, которые собираются в облака и окружают видимые диски галактического вещества почти сферическими гало. Но известные частицы практически все слишком сильно взаимодействуют и слишком сильно сгущаются, чтобы образовывать такие гало. Исключение – нейтрино, но они чересчур легкие, слишком быстро движутся и недостаточно скучиваются. Получается, из каких бы частиц темная материя ни состояла, это нечто новое.

* * *

Второе правило изобретения новой частицы таково: вы должны обосновать, почему она вот-вот будет обнаружена, иначе никому до нее и дела не будет. Довод не обязан быть веским – все коллеги и так хотят вам поверить, – но вы должны предоставить людям объяснение, которое они смогут повторять. Распространенный способ сделать это – выискать какие-нибудь численные совпадения и затем объявить, что они намекают на новую физику в запланированном на будущее эксперименте, причем использовать при этом такие выражения, как «естественное объяснение» и «многообещающая связь». Если ваша идея таких совпадений не порождает, не волнуйтесь – просто попытайте удачи со следующей идеей. Чисто статистически вы иногда будете попадать в яблочко.

Особенно удачное численное совпадение, инициировавшее много исследований в астрофизике, – так называемое WIMP-чудо. WIMP («вимп») означает «слабо взаимодействующая массивная частица» (Weakly Interacting Massive Particle). Эти частицы сейчас самые главные кандидаты на роль темной материи, не в последнюю очередь потому, что их легко включить в суперсимметричные теории. Исходя из их массы и силы взаимодействия, мы можем оценить, сколько вимпов образовалось бы в ранней Вселенной. Расчеты дают правильную распространенность темной материи – близко к измеренному значению в 23 %. Вот это соответствие и называют WIMP-чудом.

По мнению астрофизика Кэтрин Фриз, WIMP-чудо – «основная причина того, что вимпы так серьезно принимают за кандидатов на роль темной материи»¹⁶⁵. Джонатан Фэн, другой хорошо известный исследователь в этой области, считает такое численное соответствие «чрезвычайно волнующим», а остальные соглашаются, что оно «служило важнейшей движущей силой теоретиков в этой области на протяжении многих лет»¹⁶⁶. Оно служило движущей силой и для экспериментов.

Поскольку мы знаем суммарную массу, которую темная материя добавляет Млечному Пути, то можем оценить, сколько частиц темной материи определенной массы каждая должны проноситься сквозь нас. Число колоссальное: если брать для расчетов в качестве типичной массу вимпа в 100 ГэВ, получается, что около десяти миллионов этих частиц проходят через вашу ладонь ежесекундно. Но взаимодействуют они крайне редко: оптимистическая оценка показывает, что килограмм вещества детектора взаимодействует с одним вимпом в год ¹⁶⁷.

Однако редко – не значит никогда. Возможно, нам удастся найти доказательства существования вимпов, пристально следя за большими объемами вещества, защищенного от всех прочих взаимодействий частиц. Какая-нибудь частица темной материи нет-нет да и натолкнется на один из атомов нашего вещества, оставив по себе чуточку энергии. Экспериментаторы сейчас отслеживают три возможных намека на эту энергию: ионизацию (выбивание электронов из атомов, меняющее заряд), сцинтилляцию (испускание атомом вспышки света) и фононы (нагрев или колебания). Эксперименты такой чувствительности нередко проводятся глубоко под землей, где большинство частиц космических лучей отсеиваются окружающей породой.

О возможности отслеживать редкие взаимодействия темной материи первыми заговорили Марк Гудман и Эдвард Виттен в 1985 году ¹⁶⁸. Охота же на частицы темной материи началась задним числом: экспериментаторы, работавшие с детектором, исходно созданным для поимки нейтрино, в 1986 году сообщили о первых «интересных ограничениях для галактической холодной темной материи и легких бозонов, испущенных Солнцем»¹⁶⁹. На обычном языке «интересные ограничения» означают, что не найдено ничего. В нескольких других экспериментах, связанных с нейтрино, тогда тоже были получены интересные ограничения.

В начале 1990-х годов темная материя удостоилась первого собственного эксперимента – COSME. На волне внимания, привлекаемого суперсимметрией, один за другим были приставлены к делу многочисленные другие детекторы: NaI32, BPRS, DEMOS, IGEX, DAMA[101] и CRESST-I. Те получили еще какие-то интересные ограничения. В середине 1990-х EDELWEISS получил «самые строгие ограничения, основанные на наблюдении нулевого события»¹⁷⁰.