XXXIV. Морские чудовища и темная материя

Физики-теоретики – очень творческие картографы. Они азартно заполняют пробелы на карте всевозможными драконами, экстраполируют намеки и слухи и являются кладезем всевозможных историй, которые в избытке можно услышать в океанских портах.

Учитывая количество открытых вопросов, которые оставляет для размышления стандартная модель, неудивительно, что восточные моря в нашем воображении населены зверинцем, состоящим из фантастических тварей разной степени правдоподобности. В этой «экспедиции» мы будем посиживать в пабах на побережье и внимать всевозможным рассказам в надежде услышать что-то полезное, чем можно будет руководствоваться в будущих путешествиях.

Лучший паб находится прямо на причале, на восточном берегу Бозонии. В витринах выставлены телескопы разнообразного качества, а за темным дубовым баром – множество напитков. Теоретики отдыхают, развалившись на креслах и скамейках, болтают друг с другом и соревнуются в выдумках. Иногда вразвалочку появляется какой-нибудь моряк или тот, кто утверждает, что был в море. Его немедленно окружают зеваки и предлагают выпивку, выведывая у него информацию о землях там, за горизонтом.

Многие истории, грезы и даже песни, звучащие по вечерам, навеяны темами наших обсуждений за ужином. Либо наше понимание гравитации неправильно, либо бо́льшая часть материи во Вселенной – это какая-то неизвестная форма темной материи, вероятно, состоящая из частиц, находящихся за пределами стандартной модели. Ученые исследуют обе эти возможности, но в настоящее время самым популярным вариантом является вторая – темная материя. Мы очень хотели бы встретить темную материю в нашем путешествии на восток, и есть несколько способов, как это может произойти.

Существует вероятность того, что БАК сможет производить темную материю и (косвенно) наблюдать за ней. Любое наблюдение должно быть косвенным, потому что по своей природе темная материя не будет взаимодействовать с детекторами, окружающими точки столкновения протонов.

Однако, поскольку детекторы плотно окружают точку столкновения частиц, то, если рождается что-то высокоэнергетическое и незримое, то детекторы смогут зафиксировать дисбаланс в импульсе. Это обозначило бы присутствие темной материи, так же, как недостаток импульса в бета-распадах привел Паули к постулированию существования нейтрино (мы говорили об этом в наших путешествиях на западе).

Нейтрино также производятся на БАК. Как и темная материя, наличие нейтрино также приводит к кажущемуся недостатку импульса. Тем не менее, стандартная модель может предсказать, сколько событий столкновения должно быть и как они должны выглядеть. Любые аномалии могут быть признаком существования темной материи.

Одна вещь, которую мы знаем о темной материи – это то, что если она существует, она взаимодействует гравитационно. Поэтому темная материя, вероятно, собирается вблизи больших масс, таких как черные дыры в центре галактик или даже в центральных областях звезд. В этих областях с относительно высокой плотностью темной материи иногда встречаются две частицы темной материи и, в зависимости от того, из какой темной материи они сделаны, аннигилируют и производят высокоэнергетические фотоны, нейтрино или другие частицы из стандартной модели.

Есть телескопы, которые ищут признаки этих продуктов аннигиляции темной материи, включая приборы на спутниках, где атмосфера Земли не затрудняет приход нужных частиц. Есть даже эксперименты, которые используют лед в Антарктиде в качестве нейтринного детектора в надежде обнаружить редкие случаи, когда нейтрино с очень высокой энергией сталкивается с молекулами воды, превращаясь в мюон или электрон и в конечном итоге испуская свет, радио- или другие электромагнитные волны.

Чувствительные эксперименты, предназначенные для поиска темной материи, которая должна взаимодействовать непосредственно с детектором, также строятся под землей, вдали от влияния космических лучей. Мы знаем, что каждый миг через нас проходят миллиарды невидимых частиц – мы буквально купаемся в солнечных нейтрино и в низкоэнергетических реликтовых фотонах, оставшихся от Большого взрыва. Оба типа частиц являются совершенно необходимыми ингредиентами в нашем понимании физики и Вселенной, и оба типа частиц были измерены на специализированных детекторах.

Если темная материя существует, она может также взаимодействовать с нормальной материей посредством слабого взаимодействия, когда она проходит через Землю – или когда Земля проходит через облако частиц темной материи, сосредоточенных в нашей Галактике.

В этом случае был бы общий вид частиц темной материи, называемый WIMP (weakly interacting massive particle) – слабовзаимодействующие массивные частицы. Это наиболее вероятный тип темной материи, которую ожидают получить на БАК. WIMP-частицы представляют более трудную проблему для обнаружения, чем нейтрино, отчасти потому, что они медленнее, а отчасти потому, что мы не знаем, что они такое на самом деле. Поэтому (в отличие от нейтрино) стандартная модель ничего не говорит нам о вероятности их взаимодействия.

Таким образом, эксперименты должны сделать все возможное, чтобы исследовать неизвестное пространство параметров, обычно отображаемое с точки зрения массы WIMP-частицы и вероятности ее взаимодействия с атомным ядром.

Одним из наиболее чувствительных экспериментов по сканированию этого пространства параметров на сегодняшний день стал LUX (англ. Large Underground Xenon — Большой подземный ксеноновый детектор). LUX был разработан для измерения как света, так и электронов, которые были бы произведены, если бы частица темной материи встретилась с ядром атома ксенона. Однако пока ничего нужного не зарегистрировано, что немного разочаровывает.

Тем не менее, разрабатываются более чувствительные эксперименты. Путешествие продолжается. Даже отрицательные или нулевые результаты отнюдь не бесполезны, потому что они заполняют те области карты, которые раньше были белыми пятнами. Правда, они, как правило, заполняют карту безликим морским пейзажем, но даже в этом случае, по крайней мере, мы знаем, что там нет драконов.

Значимость нулевого результата зависит от надежной теоретической основы. Если нет теоретического предсказания, которое нужно проверять экспериментально, то иногда нулевой результат действительно говорит вам очень мало, – может быть, ваш эксперимент был проведен без энтузиазма. Иначе говоря, вы поверили пьяному моряку с репутацией сумасшедшего, вышли из паба, отплыли туда, куда он вас послал, и убедились, что он нес чушь. Это не очень-то приятно, особенно если на это ушло много времени и денег.

Но с надежной основой – заслуживающим доверия рассказчиком – нулевой результат может быть очень важным. За примером далеко ходить не надо: так было, когда БАК искал бозон Хиггса. Если бы бозон не был найден, это нарушило бы стандартную модель – очень надежную теорию, которая держала свою репутацию на протяжении десятилетий, сделав много точных предсказаний. Таким образом, нулевой результат на самом деле мог быть чрезвычайно интересным.