Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Йостейн Рисер Кристиансен

Так как же насчет вимпов? Считается, что большинство суперсимметричных частиц нестабильны, соответственно, живут они совсем недолго и вскоре распадаются и превращаются в другие частицы. Вот только легчайшая суперсимметричная частица, судя по всему, стабильна. И мы надеемся, что именно она займет место вимпа темной материи. Возможно, наиболее удивительный тип частиц в суперсимметричных теориях — это ней- тралино. Не исключено, что видов нейтралино множество, но легчайшие должны быть стабильны. Нейтралино — идеальный кандидат на роль вимпа: оно является своей собственной античастицей, следовательно, может аннигилироваться и оставлять улики, которые потом заметит, например, космический гамма-телескоп «Ферми» или магнитный альфа-спектрометр на МКС. Или же их обнаружат в подземных экспериментах с коллайдерами? Или вообще откроют после того, как в ЦЕРНе докажут существование суперсимметрии?

Вимпы — это кусочек большой запутанной головоломки. Весьма обнадеживает, что наши поиски не ограничиваются одним направлением. Если один эксперимент что-то обнаружит, то результат должен быть сопоставим с тем, что фиксируют остальные. И если найденные ими вимпы действительно образуют темную материю, то это открытие не должно противоречить нашим наблюдениям за Вселенной. И, прежде всего, темная материя также должна логично вписываться в теории, связанные с элементарными частицами. Вероятно, тут важную роль сыграет суперсимметрия.

Другие кандидаты

До этого момента мы говорили только о вимпах. Но, как я уже намекнул, перечислив забавные названия, существует ряд других предположений о том, чем может быть темная материя. Я не намерен читать вам целую лекцию обо всех кандидатах на роль частицы темной материи, да и книга эта стала бы просто неподъемной, но парочку альтернатив вимпам я бы все же рассмотрел.

Интересный вариант — это так называемые стерильные нейтрино. Вы, возможно, помните три нейтрино из Стандартной модели. У них еще была очень низкая масса, а подчинялись эти частицы, помимо гравитационного взаимодействия, только слабому. Забавная особенность нейтрино заключается в том, что они ведут себя как трансвеститы Стандартной модели (я же говорил, что они крутые). Вы можете выпустить на волю, например, электронное нейтрино, но, если чуть позже поймать это же нейтрино, может оказаться, что оно превратилось в мюонное нейтрино или в тау-нейтрино. Эта способность нейтрино перевоплощаться не позволяет нам исключить возможность существования новых частиц: что, если три разных нейтрино из Стандартной модели могут так же преобразоваться в один или несколько других типов нейтрино, которые мы еще не обнаружили? И раз они пока не открыты, то, похоже, они не участвуют даже в слабом взаимодействии. Эти нейтрино будут ощущать лишь гравитационные силы. Такие частицы и называются стерильными нейтрино: они ощущают только гравитационное взаимодействие, но в то же время связаны со всем знакомой Стандартной моделью, в которой нейтрино превращаются из стерильных в обычные и наоборот. Темная материя не может состоять из обычных нейтрино, потому что они слишком легкие. А стерильным нейтрино ничто не мешает весить в разы больше, так что темная материя, вполне возможно, полностью или частично состоит из них.

Среди наиболее популярных кандидатов — частица под названием аксион. Точно так же, как и суперсимметричные частицы, аксионы — это гипотетические частицы, придуманные для того, чтобы Стандартная модель выглядела более красиво и логично. Основная задача аксионов — объяснить симметрию в сильном взаимодействии, но в подробности я вдаваться не буду. Если такие частицы существуют, то являются прекрасными претендентами на роль темной материи. Но самое занятное в этой гипотезе следующее: ожидается, что аксионы будут неприлично легкими, даже легче нейтрино. Вот только образуются они совсем по-другому, поэтому все равно могут оказаться темной материей. Поэтому предполагается, что они, даже несмотря на низкую массу, способны двигаться с относительно малой скоростью. Аксионы появляются и в теориях суперсимметрии, что делает их еще более привлекательными кандидатами на роль темной материи. Единственная проблема — пока эти частицы, понятное дело, никто не видел.

Есть еще сильно взаимодействующие частицы (SIMP). Это своего рода ответ сильного взаимодействия вимпам (слабовза- имодействующим массивным частицам). Пока симпы не настолько хорошо вписываются в наблюдения и теорию физики элементарных частиц, как вимпы. Но в любом случае сбрасывать их со счетов не стоит, а если открытие вимпом темной материи заставит себя ждать, то у симпов есть все шансы стать более популярными.

Помимо вимпов и симпов, предполагается существование различных классов частиц темной материи, способных взаимодействовать только друг с другом, игнорируя другие частицы Стандартной модели. Такие модели часто называют самовзаи- модействующей темной материей.

Охота на темную материю — отличный пример того, как взаимодействуют в наше время изучающая самые огромные из существующих объекты астрономия и физика элементарных частиц, объектом исследований которой является микромир. В одиночку физики, изучающие элементарные частицы, не смогут ответить на вопрос, что же все-таки представляет собой темная материя. Без помощи астрономов им не обойтись. Если астрономы смогут доказать, что Вселенная наполнена, скажем, вимпами, симпами или самовзаимодействующей темной материей, то у физиков, ищущих более всеобъемлющие теории, чем Стандартная модель, появится новая информация, и она существенно облегчит им задачу. Мы живем во времена, когда микроскопическая физика элементарных частиц столкнулась с наукой о Большом взрыве и наблюдениями за самыми огромными структурами, которые только существуют во Вселенной. Вот и сошлись два противоположных конца физической измерительной рулетки.

«МАЧО» бросают вызов маленьким частицам

Как вимпы с симпами, так и стерильные нейтрино с аксионами являются представителями еще неоткрытых элементарных частиц, обитающих в микрокосмосе. Но существуют также и претенденты с более осязаемыми размерами. Уже на протяжении многих десятилетий научное сообщество обсуждает неких «мачо» (англ. MACHO). Может показаться, будто у вимпов появился массивный старший брат. И не зря, ведь «мачо» действительно крупнее. Аббревиатура расшифровывается как Massive Astrophysical Compact Halo Object, то есть массивный астрофизический компактный объект гало. Не самая образная расшифровка, но ради красивого названия можно и потерпеть. MACHO — это общий термин для больших объектов, состоящих из обычного вещества, которое ведет себя как темная материя. К таким объектам относятся, к примеру, коричневые карлики — «звезды-неудачники», чья масса слишком мала, чтобы они начали поддерживать стабильную ядерную реакцию и засветились. А еще это может быть нейтронная звезда или вообще черная дыра — эти настолько массивны, что даже свету не удается вырваться из их гравитации. Гало — это название сферической области, окружающей спиральные галактики, такие как Млечный Путь. Суть концепции MACHO заключается в том, что существует большое количество объектов, которые трудно заметить в гало галактик. Это вполне могло бы объяснить такие явления, как кривые вращения Рубин и быстрые галактики Цвикки.

MACHO представляют собой попытку решить проблему темной материи, не привлекая никаких новых экзотических частиц. И сама по себе эта идея неплоха. Зачем городить новый гипотетический огород, когда темную материю можно трактовать как обычную, просто невидимую? Проблема в том, что идея «МАЧО» не объясняет всех наблюдений, ради которых нам и понадобилась темная материя. Больше всего в глаза бросается реликтовое излучение, образовавшееся задолго до того, как звезды и им подобные объекты появились во Вселенной. В тот период субстанция, называемая сегодня «МАЧО» вела бы себя точно так же, как другая обычная материя. Очевидно, что для объяснения реликтового излучения этого недостаточно. А еще нам нужна несталкивающаяся частица, но и тут «МАЧО» в пролете. Есть и другая проблема: постоянно совершенствующиеся наблюдения за гало Млечного Пути указывают на то, что количество «МАЧО» не хватает для объяснения быстрого вращения Галактики. Когда-то идея о том, что большую часть темной материи составляют именно «МАЧО», пользовалась популярностью, особенно в 1990-х годах. Но в настоящее время от нее практически отказались.