Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Йостейн Рисер Кристиансен

Скорость света в вакууме — число очень большое. Что уж говорить о скорости света в квадрате. А это значит, что при относительно небольшой массе можно создать огромное количество энергии. Если бы можно было просто преобразовать, например, пятикилограммовый валун в чистую энергию, то эта энергия была бы эквивалентна годовой производительности гидроэлектроэнергии Норвегии.

Вернемся к частицам. Когда частица сталкивается с соответствующей античастицей, обе частицы исчезают. А если по-научному, то происходит аннигиляция. Остается только масса. И как раз эта масса и есть энергия. А вот энергия преобразуется по-разному. Она может, например, стать электромагнитным излучением. И так как даже маленькая масса дает много энергии, электромагнитное излучение будет обладать высокой энергией. Такое излучение называется гамма-излучением. А еще энергия может преобразоваться в новую пару частицы и античастицы, пути которых, возможно, дальше разойдутся.

Может показаться, что антивещество — это пустая теоретическая спекуляция. Но не тут-то было: за антивеществом наблюдали в бесчисленном множестве различных экспериментов с частицами. Мы не замечаем его в повседневной жизни, поскольку частицы антиматерии сразу же натыкаются на частицы обычной материи в этом не приспособленном для них мире и моментально аннигилируют. Но все же антивещество можно создать в мощных столкновениях — в ускорителе заряженных частиц, например. В них можно успеть взглянуть на античастицы до того, как они исчезнут. Антивещество существует: мы его видели. Но жизнь его на напичканной обычной материей Земле беззаботной не назовешь.

А при чем тут вообще темная материя? Ну, смотрите, некоторые частицы сами себе античастицы. Если рассматривать Стандартную модель, то это касается, например, бозона Хиггса, бозона Z и, возможно, нейтрино. Есть причины полагать, что вимпы темной материи тоже будут своими же античастицами. Но как им тогда удается существовать в огромных количествах в космическом пространстве? Дело вот в чем: эти частицы пересекаются настолько редко, что способны прожить миллиарды лет, пока не аннигилируют. Но иногда вимпы, конечно, встречаются, и тогда происходит аннигиляция. А оставшаяся от них энергия сможет преобразоваться в гамма-излучение, например, или электрон и позитрон, а эти частицы мы уже способны увидеть. Вот вам и следы темной материи.

Следы вимпов в космосе

Международная космическая станция парит в 400 километрах над поверхностью Земли, двигаясь со скоростью почти восемь километров в секунду. Это самый большой созданный руками человека объект за пределами атмосферы Земли: по размерам МКС соответствует футбольному полю. Международная космическая станция — совместный проект ряда стран, в том числе США, России и Японии, а также Европейского космического агентства (ЕКА), членом которого является и Норвегия. На МКС работают ученые из всех уголков мира, а потому космическая станция считается символом сотрудничества вопреки культурным и национальным различиям. Но, прежде всего, это исследовательская лаборатория. Здесь проводятся эксперименты, которые невозможно повторить на Земле, — без влияния атмосферы и веса.

Магнитный альфа-спектрометр (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS) — это один из экспериментов на Международной космической станции. Этот прибор размером с автомобиль установлен снаружи станции, а его главная миссия — поиски следов аннигилировавших частиц темной материи. С особым усердием AMS ищет вимпы, превратившиеся вследствие аннигиляции в электроны и позитроны. Из-за того, что позитроны неспособны преодолеть атмосферу Земли, спектрометр и установили в космосе. Войдя в атмосферу, позитроны сталкиваются с электронами, и начинается реакция аннигиляции. А в почти полной пустоте космоса даже таким античастицам, как позитроны, удается проходить большие расстояния не исчезая.

Электрон, а следовательно, и позитрон — частицы очень легкие. У нас есть веские основания полагать, что вимпы темной материи должны быть гораздо массивнее. Если два вимпа аннигилируют, они выделяют много энергии, намного больше, чем необходимо для образования электрона и позитрона. Что же происходит с этой лишней энергией? Она придает электрону и позитрону большую скорость. А чем тяжелее вимпы, тем больше энергии достанется электронам и позитронам, тем самым ускоряя их. Таким образом, магнитный альфа-спектрометр будет отличать электроны и позитроны, полученные в результате аннигиляции вимпов, по огромным скоростям, близким к скорости света. И в этом случае по величине скорости можно будет рассчитать первоначальную массу вимпов.

Так что же обнаружил спектрометр? На данный момент команда ученых зарегистрировала большое количество как электронов, так и позитронов, которые достигли их детектора на огромных скоростях. Электроны есть абсолютно везде, поэтому сам факт их встречи с детектором особого удивления не вызывает. Но что насчет попавших в эксперимент позитронов, то есть античастиц? Может, они и есть следы аннигиляции темной материи? К сожалению, не все так просто. Во Вселенной существуют и другие процессы, порождающие позитроны. Например, источником позитронов могут быть быстро вращающиеся нейтронные звезды. Об этих звездных останках я упоминал ранее в книге: они настолько компактны, что бутылка из-под газировки с веществом нейтронной звезды весит столько же, сколько вся вода в озере Мьёса.

И как тогда понять, что в эксперимент попадают позитроны, образованные именно аннигиляцией вимпов? Есть один отличительный признак, на который стоит обращать внимание, — скорость позитронов.

Скорость позитронов, как я уже говорил, зависит от массы аннигилировавших вимпов. После того, как энергия из массы вимпов превратилась в электрон и позитрон, остается определенное количество энергии, которая, в свою очередь, может придать им ускорение. Тогда можно предположить, что все позитроны, появившиеся из-за аннигиляции вимпов, будут обладать одинаковой, невероятно большой скоростью. Но и тут не все так просто. У вимпов ведь до столкновения тоже могла быть своя скорость, которая будет суммироваться со скоростью позитронов.

Или вимпы могли сначала аннигилировать и превратиться в частицы другого типа, которые позже образовали позитроны. А еще скорость позитрона могла измениться во время путешествий по космосу. В общем, все сложно. Но, принимая во внимание подобные факторы, все равно можно сделать предположения о количестве позитронов с различными скоростями.

AMS провел точные измерения скоростей замеченных им позитронов. Пока результаты не особо впечатляют и не очень похожи на то, что можно было бы ожидать от аннигиляции вимпов. Но еще рано делать какие-либо выводы. У позитронов бывают и другие источники. Чтобы узнать больше, нужно изучить позитроны, которые движутся еще быстрее и, соответственно, обладают большим количеством энергии, чем те, которые удалось заметить детекторам. В любом случае AMS — великолепное руководство по поиску темной материи через косвенные улики, такие, например, как позитроны.

Но о том, произошли позитроны от вимпов или нет, свидетельствует не только скорость. Не менее важно и то, откуда они пришли. Ведь для аннигиляции вимпам нужно сначала встретиться. Столкновение наиболее вероятно там, где скопления вимпов наиболее плотные. Темная материя распределена по всему пространству и всем галактикам. Как вы помните, считается, что Млечный Путь плавает в равномерном супе из темной материи. Тем не менее считается, что в центре Галактики этот суп плотнее всего. А поэтому наибольшее количество столкновений вимпов стоит ожидать там же. У нас также есть некоторые представления о том, как будет уменьшаться количество столкновений частиц темной материи по мере удаления от центра.