Читать книгу "Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл"

РИС. 78. Поиск скрытой массы идет в трех направлениях. Подземные детекторы пытаются непосредственно засечь столкновения частиц темной материи с ядрами–мишенями. Возможно, на БАКе удастся получить частицы скрытой массы, которые оставят след в его экспериментальных установках. А спутники и телескопы, может быть, засекут в космосе свидетельства аннигиляции частиц скрытой массы с образованием видимого вещества

Но эксперименты на БАКе — не единственный способ поиска скрытой массы. Факт состоит в том, что физика в настоящее время вступила в потенциально очень интересную эру новых данных, причем не только в области физики элементарных частиц, но и в области астрономии и космологии. В этой главе объясняется, как именно в ближайшее десятилетие будет идти поиск скрытой массы; речь пойдет о трех направлениях поиска. Сначала предстоит выяснить, почему самыми вероятными кандидатами на роль скрытой массы являются частицы с массой масштаба слабого взаимодействия; после этого надо подумать, как получить на БАКе эти частицы и опознать их, если эта гипотеза верна. Затем мы рассмотрим, как приборы, специально разработанные для поиска частиц темной материи, пытаются отследить их прибытие на Землю и зарегистрировать их слабые, но потенциально различимые взаимодействия. Наконец, мы рассмотрим способы, при помощи которых телескопы и детекторы на земле и в космосе ищут в небе следы аннигиляции частиц темной материи. Все три способа поиска скрытой массы показаны на рис. 78.

ПРОЗРАЧНОЕ ВЕЩЕСТВО

Нам известна плотность скрытой массы, известно, что она холодная (то есть движется медленно по отношению к скорости света), что взаимодействует в лучшем случае чрезвычайно слабо и наверняка не дает никакого значимого взаимодействия со светом. И это практически все, что мы знаем. Темная материя прозрачна. Мы не знаем ее массы, не знаем, вступает ли она в какие‑то взаимодействия помимо гравитационных, не знаем, как она возникла. Нам известна ее средняя плотность: может быть, в объеме нашей Галактики на каждый кубический сантиметр приходится по одной массе протона, а может, компактные объекты с массой, соответствующей тысяче триллионов протонных масс, равномерно распределены по Вселенной — по одному на каждый кубический километр. Средняя плотность вещества в том и другом случае окажется одинаковой, да и вещества для инициации формирования структур хватит в любом случае.

Таким образом, мы знаем, что скрытая масса существует, но не имеем представления о ее природе. Это могли бы быть, к примеру, маленькие черные дыры или объекты из других измерений. Скорее всего, это просто новая элементарная частица, которая не вступает в обычные взаимодействия, характерные для частиц Стандартной модели: к примеру, стабильное нейтральное проявление новой физической теории масштаба слабого взаимодействия, которая, возможно, будет скоро открыта. Даже если дело обстоит именно так, нам все же хотелось бы знать, каковы свойства частицы, составляющей темную материю: какова ее масса, как она взаимодействует и не является ли она частью некоего неизвестного пока класса частиц.

Одна из причин, по которым сегодня так популярна интерпретация скрытой массы как элементарной частицы, заключается в том, что в пользу этой гипотезы говорят уже упоминавшиеся факты — обилие скрытой массы во Вселенной и значительная доля приходящейся на нее энергии. Удивительно также, что для стабильной частицы с массой, примерно соответствующей масштабу слабого взаимодействия, который предстоит исследовать БАКу (опять же через формулу Е = mc2) реликтовая плотность на сегодня, то есть доля энергии, которая должна была бы приходиться во Вселенной на эти частицы по расчету, примерно соответствует тому, что должно быть для темной материи.

Логика здесь примерно следующая. По мере развития Вселенной температура в ней падала. Тяжелые частицы, которых в горячей Вселенной было множество, в более поздней и более холодной Вселенной оказались сильно рассеяны, потому что при более низких температурах на их создание просто не хватает энергии. Как только температура упала в достаточной мере, тяжелые частицы постепенно аннигилировали с тяжелыми античастицами, так что исчезали и те и другие, а вот процесс рождения тех и других почти прекратился. Из‑за аннигиляции по мере остывания Вселенной численная плотность тяжелых частиц падала очень быстро.

Разумеется, чтобы аннигилировать, частицы и античастицы должны сначала встретиться[60], но с уменьшением их числа и ростом рассеяния вероятность такой встречи тоже многократно уменьшилась. Вследствие этого частицы на поздней стадии эволюции Вселенной аннигилировали намного менее эффективно.

В результате на сегодняшний день во Вселенной могло остаться значительно больше стабильных частиц с массой масштаба слабого взаимодействия, чем позволило бы предположить наивное применение законов термодинамики; в какой‑то момент частицы и античастицы настолько разбрелись по пространству, что просто не могут встретиться и уничтожить друг друга. Сколько таких частиц осталось на сегодняшний день, зависит от массы и характера взаимодействий предполагаемого кандидата на роль скрытой массы. Физики умеют вычислять реликтовую плотность при известных характеристиках. Загадочный и замечательный факт состоит в том, что для стабильных частиц с массой масштаба слабого взаимодействия реликтовая плотность как раз и получается примерно такой, чтобы эти частицы могли играть роль скрытой массы.

Конечно, поскольку мы не знаем ни точной массы частицы, ни точных параметров ее взаимодействий (не говоря уже о модели, к которой она может принадлежать), мы пока не можем сказать, насколько точно сойдутся у нас численные данные. Но счастливое, хотя и приблизительное, численное соответствие между двумя явлениями, которые на первый взгляд представляются совершенно независимыми, интригует и вполне может оказаться свидетельством того, что именно физика слабых взаимодействий способна объяснить наличие во Вселенной скрытой массы.

Такой тип кандидатов на роль скрытой массы получил известность как WIMP (Weakly Interacting Massive Particle — слабо взаимодействующая массивная частица). Слово «слабый» здесь выступает в роли описательного термина, а не отсылки к слабому взаимодействию: любая WIMP–частица вступает во взаимодействие еще менее охотно, чем нейтрино. Без дополнительных данных о темной материи и ее свойствах — данных, которые, возможно, удастся получить на БАКе — мы не сможем установить, действительно ли скрытая масса представляет собой WIMP. Именно для этого, кстати говоря, и нужны экспериментальные исследования.

СКРЫТАЯ МАССА И БАК

Интригующая возможность получить образец темной материи — одна из главных причин, по которым космологов интересует физика масштаба слабого взаимодействия и перспективы БАКа. Энергии, которые будут достигнуты на БАКе, как раз подходят для поиска WIMP. Если скрытая масса в самом деле состоит из частиц, связанных с масштабом слабого взаимодействия, как позволяют предположить расчеты, не исключено, что эти частицы действительно удастся получить на женевском коллайдере.