Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Йостейн Рисер Кристиансен

Разве магнитный альфа-спектрометр не способен просто определить, откуда приходят позитроны, и проверить, является ли это типичным местом скопления темной материи?

Боюсь, что нет. У позитронов есть электрический заряд, а частицы с электрическим зарядом испытывают отклонение, проходя через области магнитных полей. Магнитных полей в нашей Галактике полно. Так что позитрон, идущий из центра Галактики, вполне может попасть в спектрометр с совершенно другого направления.

Как тогда определить, где произошла аннигиляция вимпов? Никто не говорил, что два вимпа обязательно станут электроном и позитроном. Они могут стать и другими частицами, причем такими, которые не имеют электрического заряда, а следовательно, не слишком сильно меняют направление при пересечении магнитного поля Млечного Пути.

Хороший пример — гамма-излучение, то есть фотоны высокой энергии. Если мы сможем наблюдать гамма-излучение от двух аннигилировавших вимпов, то направление, из которого оно исходит, расскажет нам о том, где это излучение родилось.

На сегодняшний день существует два способа поиска гамма-излучения от аннигилировавших вимпов — в космосе и косвенно на поверхности Земли. Как и электроны с позитронами, гамма-излучение не в силах преодолеть атмосферу. Следовательно, для прямого наблюдения за гамма-излучением придется отправиться в космос. Телескопам на Земле недоступно изучение непосредственно гамма-излучения: они видят лишь следы, которые образуются в атмосфере от попадания гамма-лучей.

Дальше я сосредоточусь на прямых измерениях гамма-излучения в космосе. Выдающийся представитель «космических гамма-телескопов» расположен, например, на спутнике «Ферми». Спутник, являющийся совместным проектом нескольких стран, назван в честь того самого Энрико Ферми, которого я недавно цитировал. Помните, он еще не мог запомнить названия всех частиц, потому что не был ботаником. Телескоп «Ферми» предназначен специально для наблюдения за гамма-излучением, а начал свою работу он в 2008 году.

Как уже упоминалось, преимущество поиска гамма-излучения перед позитронами состоит в том, что гамма-излучение движется по прямым линиям. Соответственно, телескоп «Ферми» может обнаружить, откуда исходит гамма-излучение. Возникает очевидный вопрос: наблюдается ли особая интенсивность гамма-излучения там, где мы рассчитываем найти темную материю? И — барабанная дробь — ну… как сказать…

Да, «Ферми» обнаружил много гамма-излучения в центре Млечного Пути, а причиной этому может быть аннигиляция вимпов. Проблема лишь в том, что во Вселенной просто куча других источников этого излучения, и в центре нашей Галактики они тоже есть. Вспомним о нейтронных звездах — эти компактные хулиганы плюются не только позитронами, но и гамма-излучением.

Другая проблема заключается в том, что аннигиляция вимпов может создавать гамма-излучение самыми разными способами. Умей природа самостоятельно разоблачать вимпы темной материи, все аннигилировавшие вимпы становились бы двумя гамма-фотонами, то есть двумя вспышками электромагнитного излучения, расходящегося в разных направлениях. А количество энергии каждого фотона определялось бы формулой Е=mc2. Масса вимпов определяла бы, сколько энергии будет в гамма-излучении. Всё гамма-излучение, исходящее от вимпов, имело бы точно такое же количество энергии, и эта энергия выдавала бы нам массу вимпов. Так просто! К сожалению, чересчур просто.

Реальность же такова, что большинство гамма-лучей, исходящих от вимпов, формируется не сразу. Чаще всего ситуация выглядит так: два вимпа аннигилируют в другие частицы, например, в тау и антитау. Эти частицы нестабильны и, прожив совсем недолго, трансформируются во что-то еще. Во время этих трансформаций появляется гамма-излучение. В результате аннигилировавшие вим- пы будут испускать гамма-излучение всевозможной энергии. Но ни один из испускаемых гамма-фотонов не может иметь энергию большую, чем позволяет масса вимпа. Поэтому мы ожидаем, что у гамма-излучения от вимпов будет определенный предел, за которым оно прекратится. Это и есть те следы, которые мы ищем.

В совокупности проблемы с гамма-излучением настолько велики, что пока ни к какому выводу прийти не удалось. Ученые наблюдали излучение, причиной которого могли быть как аннигилировавшие вимпы, так и другие источники.

Чтобы разобраться с этой путаницей были предприняты попытки изучить гамма-излучение, исходящее из объектов другого интересного типа: карликовых галактик. Карликовые галактики — это просто маленькие галактики. Если Млечный Путь содержит несколько сотен миллиардов звезд, то в карликовых галактиках их до нескольких миллиардов. Нам известно более 20 таких карликовых галактик, обращающихся вокруг Млечного Пути. Особенно привлекают охотников за вимпами два качества таких галактик. Во-первых, они достаточно спокойные. По сравнению с центром Млечного Пути, типичная карликовая галактика содержит меньше известных источников гамма-лучей, которые могут сбить с толку. Во-вторых, карликовые галактики содержат большое количество темной материи, это можно вычислить, изучая движение в них звезд. Судя по описанию, лучше места для наблюдения за аннигилирующими вимпами не придумаешь: много темной материи и мало другого гамма-излучения. И ученые наблюдали и наблюдали. Недавно (книга написана весной 2015-го) сообщили о первых открытиях интересных гамма-лучей от карликовых галактик, но пока что наблюдения недостаточно точны, чтобы понять, задействована ли там темная материя.

А мы видели вимпы?

Мы наблюдали за вимпами разными способами: сначала смотрели, как они сталкиваются в детекторе на Земле, а затем — как они аннигилируют и излучают частицы. Я намекнул, что существуют захватывающие результаты измерений, но в подробности не вдавался. Я так скуп на подробности лишь потому, что в наше время охота на вимпы — это крайне хаотичное поле исследований. Бывает, что наблюдение, о котором физики, собравшись за обедом, сегодня горячо спорят, завтра при анализе данных оказывается глупой ошибкой. А то, что сегодня кажется незначительной деталью, через несколько лет вполне может вывести на след темной материи.

Но тем не менее приятно осознавать, что единственным методом при поиске вимпов не ограничиваются. Если подземный эксперимент заявит об обнаружении вимпов с определенными характеристиками, то эти результаты должны совпадать с наблюдениями за позитронами и гамма-излучением, а еще они не должны противоречить тому, что мы знаем о темной материи в нашей Галактике и в картине реликтового излучения. Всем частям большой и сложной головоломки следует оказаться на своих местах.

До сих пор мы говорили о поиске вимпов, не упоминая основоположника всех экспериментов с частицами — большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе. Бозон Хиггса открыли еще в 2013 году, а Нобелевскую премию давно поделили, но ускоритель частиц БАК по-прежнему заставляет частицы врезаться друг в друга — со все возрастающими скоростями. И на этот раз первое место в листе ожидания занимает частица темной материи.

Но прежде, чем мы увидим, как ищут темную материю в ЦЕРНе, давайте еще раз вернемся к рождению Вселенной. Все рассмотренные нами эксперименты основываются на том, что темная материя состоит из вимпов. Что же делает эти вим- пы столь привлекательными? Что это за «чудо-вимп»? Самое время еще раз вернуться к Большому взрыву.