Частицы-претенденты

Какие же частицы претендуют на роль темной материи? Я уже упоминал некоторые из них выше. Теоретики придумали множество версий частиц темной материи, а экспериментаторы сконструировали и опробовали различные детекторы, предназначенные для их регистрации. Например, поиск бозона Хиггса занял в общей сложности 23 года (1989–2012) и проводился он на трех коллайдерах: Большом электрон-позитронном коллайдере, Тэватроне и Большом адронном коллайдере. Темную материю с 1990 года ищут на десятке установок, но пока безуспешно.

Теперь давайте рассмотрим эти частицы более подробно. В первую очередь это аксион – гипотетическая нейтральная элементарная частица, которую в 1977 году предложили американский физик итальянского происхождения Роберто Печчеи, работающий в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, и австралийка, работающая в Гарвардском университете, Хелен Куинн. Роберто Печчеи и Хелен Куинн пытались разрешить проблему теории сильных ядерных взаимодействий – квантовой хромодинамики. В ее основное уравнение не заложено сохранение CP-симметрии, которая осуществляет зеркальное отражение и меняет частицы на античастицы. Нарушение симметрии должно приводить к появлению у нейтрона дипольного электрического момента, а этого в экспериментах не наблюдается. Печчеи и Куинн предложили красивую модель, снимающую это противоречие. Из нее вытекает существование легких стабильных частиц, которые не несут электрических зарядов, но в сильных магнитных полях индуцируют возникновение фотонов. Это и есть аксионы. Позднее космологи показали, что аксионы могут быть вполне приемлемыми кандидатами в частицы темной материи.

Роберто Печчеи, американский физик (род. в 1942)

Хелен Куинн, австралийский физик (род. в 1943)

Правда, название аксион придумали не Печчеи с Квинн, а другой физик, американец Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года. Axion – это марка стирального порошка, и частица по задумке должна была «очистить» квантовую хромодинамику от проблемы сильного CP-нарушения. То есть физики обнаружили нарушение определенной симметрии в природе, при котором законы физики переставали работать, если частицу и античастицу поменять местами. Поэтому и была предложена частица с определенными свойствами, которая эту проблему решит.

Аксион должен распадаться на два фотона, а его масса зависит от величины вакуумного ожидания полей Хиггса. Аксион должен составлять одну триллионную массы электрона. То есть если аксионы существуют, они будут в триллион раз легче электрона (согласно теоретическим оценкам, их массы измеряются всего лишь миллионными долями электронвольта), и шанс на их взаимодействие или соединение с барионной материей ничтожно мал. Но это на сегодняшний день кандидат номер один на небарионную составляющую скрытой массы (или темной материи) в космологии. Великое множество таких частиц могло родиться вскоре после Большого взрыва и обеспечить недостающую массу.

Брукхейвенская национальная лаборатория. В ней постоянно работает более 3000 ученых. Открытия, совершенные в лаборатории, были награждены семью Нобелевскими премиями

Эксперименты по обнаружению аксиона проводятся с 1990-х годов, а в ЦЕРН – Европейском центре ядерных исследований – начиная с 2003 года. ЦЕРН – крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий, и ее основная цель – эксперименты в области физики частиц.

Также в Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии проводится эксперимент под названием ADMX (сокращение от Axion Dark Mater Experiment – эксперимент по поиску аксиона и темной материи). Участники этого эксперимента основываются на предположении, что аксионы образуют невидимое гало Млечного Пути. Они используют сильное магнитное поле для конверсии аксионов в радиочастотные фотоны. Процесс усиливается с помощью резонансной полости, настраиваемой на частоты в диапазоне от 460 до 810 МГц, в соответствии с предсказываемой массой аксиона.

В 2007 году в немецкой ускорительной лаборатории DESY стартовал эксперимент «Поиск любой легкой частицы» (Any Light Particle Search, ALPS-I), завершенный в 2010 году. В настоящее время в DESY готовится гораздо более эффективный эксперимент ALPS-II, который, возможно, позволит обнаружить свидетельства существования слабовзаимодействующих легких частиц.

Но пока аксионы не удалось обнаружить. Считается, что рождение аксионов внутри звезды привело бы к ее ускоренному охлаждению. Также высказывались предположения, что один из возможных механизмов нагрева нашего Солнца – это излучение Солнцем аксионов или аксионоподобных частиц, которые превращаются в фотоны в областях с сильным магнитным полем. А аксионы, летящие от Солнца, в магнитном поле Земли могут превращаться в фотоны с энергией рентгеновского диапазона.

Однако ряд ученых пришел к выводу, что под влиянием сильного магнитного поля аксион может дезинтегрировать в фотон, а вот это способен определить детектор. В 1989 году в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк, одной из 16 национальных лабораторий Министерства энергетики США, принялись за создание такого детектора. Фактически было построено два. Какое-то время один из них – медный цилиндр высотой до пояса среднего человека – выставлялся среди других аппаратов, которые показывают посетителям лаборатории. Но они не смогли обнаружить аксион. Правда, стоимость эксперимента составила от 1 до 2 % почти 60 млн фунтов стерлингов, которые ежегодно тратятся по всему миру на две-три дюжины экспериментов по поиску вимпов. Такие эксперименты идут постоянно.

Следующий кандидат – нейтрино, название которого происходит от итальянского слова, которое можно перевести как «нейтрончик», то есть маленький нейтрон. Это стабильная незаряженная элементарная частица с очень малой массой, долго считалось, что с нулевой. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с любой материей. Нейтрино, в отличие от аксиона, не гипотетическая частица. Считается, что звезды, кроме света, излучают большой поток нейтрино, а на поздней стадии эволюции звезды за счет нейтрино уносится до 90 % излучаемой энергии.

Подробно про нейтрино я рассказывал в книге «Pro антиматерию» («Страта», СПб, 2015). Здесь я хочу только упомянуть основные направления исследований в области нейтринной астрофизики, проводимые в настоящее время. Это исследование внутреннего строения Солнца, исследование гравитационного коллапса массивных звезд, поиск темной материи. Также ведется поиск нейтрино, идущих от объектов, в которых происходит ускорение космических лучей, таких как бинарные звездные системы, туманности, образовавшиеся после взрыва сверхновых звезд, ядра активных галактик, источники гамма-всплесков. Ведется поиск нейтрино из недр Земли и исследование темпа формирования массивных звезд в ранние эпохи по диффузному потоку нейтрино от всех гравитационных коллапсов.

В июне 2005 года было решено объединить самые крупные детекторы нейтрино на четырех континентах с целью впервые дать заблаговременный и, главное, достоверный прогноз вспышкам сверхновых в нашей галактике. Детекторы соединили в единую сеть, получившую название SNEWS (SuperNova Early Warning System – система раннего оповещения о сверхновых). Результаты круглосуточного мониторинга направляются на центральный компьютер, расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории в США.

К гипотетическим частицам относится нейтралино, являющаяся кандидатом на роль составляющей холодной темной материи. Напомню про суперсимметрию, предложенную рядом теоретиков: поскольку частицы бывают двух типов, бозоны и фермионы, которые соответственно могут или не могут занимать одно и то же квантовое пространство, между бозонами и фермионами должна существовать суперсимметрия.

В соответствии с теорией суперсимметрии у каждой частицы стандартной модели есть так называемый суперпартнер (или суперпартнеры), чей спин на ½ отличается от собственного спина частицы. Поэтому частицам с полуцелым спином, фермионам, соответствуют суперпартнеры с целым спином, бозоны, а суперпартнерами бозонов являются фермионы. Суперчастицы могут распадаться, но самая легкая из них обязана быть стабильной. Именно ее считают лучшим кандидатом на роль частицы темной материи и пытаются зарегистрировать в большинстве экспериментов. То есть у каждого бозона есть партнер-фермион. У фотона есть фотино, а у нейтрино должен быть нейтралино. Частица нейтралино стабильна, участвует в слабом и гравитационном взаимодействии. Суперпартнеры Z-бозона, фотона и бозона Хиггса (соответственно зино, фотино и хиггсино) имеют одинаковые квантовые числа, они смешиваются и образуют собственные состояния массового оператора, эти состояния и называются нейтралино. Свойства нейтралино зависят от того, какая из составляющих (зино, фотино, хиггсино) доминирует. Из всех теоретически мыслимых версий частицы темной материи ученые предпочитают нейтралино, являющуюся квантовой смесью суперпартнеров фотона, Z-бозона и бозона Хиггса.

Теоретики уже давно пытаются предсказать, сколько этих нейтралино должно было выжить до наших дней, а также массу нейтралино. Когда два этих числа сложили, получилось практически то количество темной материи, которое, по разным оценкам, существует во Вселенной. Физикам также понравилось, что нейтралино никто не изобретал специально для решения проблемы темой материи. Нейтралино «там» есть, а его возможная связь с темной материей – это просто «бонус». Нейтралино – это вимп, о которых я тоже говорил выше. Вимп не взаимодействует через электромагнетизм, а это означает, что мы его не увидим ни на одной длине волны, и редко взаимодействует с атомным ядром. Нейтралино пытаются обнаружить уже с конца 1980-х годов, и особенно активно с 2003 года. Считается что эта частица – «любимчик» у физиков именно благодаря указанным в начале этого абзаца расчетам. Вес нейтралино должен быть в 50, а то и 100 раз меньше массы протона. Но после многих лет экспериментов с нулевым результатом многие склонились в сторону аксиона, назвав его кандидатом номер один.

Гравитон – это гипотетическая элементарная частица без массы, переносчик гравитационного взаимодействия без электрического и других зарядов. Гипотеза о существовании гравитонов появилась благодаря квантовой теории поля и моделированию поведения остальных фундаментальных взаимодействий с помощью подобных частиц: фотоны в электромагнитном взаимодействии, глюоны в сильном, бозоны в слабом. Аналогично за гравитационное взаимодействие должна отвечать некая элементарная частица. Термин был предложен в 1930-х годах, считается, что его авторы русские ученые Д. Блохинцев и Ф. Гальперин. Нельзя исключать, что гравитоны являются квазичастицами, удобными для описания слабых гравитационных полей в масштабах длины и времени, которые существенно больше планковской длины и планковского времени, но непригодными для описания сильных полей и процессов с характерными масштабами, близкими к планковским. В теориях супергравитации вводится гравитино – суперпартнер гравитона, как нейтралино у нейтрона.

Как ищут вимпы? Используются прямые и косвенные методы. Прямой поиск – это выявление их столкновений с ядрами обычной материи, служащей рабочим телом детектора. Считается, что в 1 м3 пространства вблизи земной поверхности содержится от нескольких сотен до нескольких тысяч вимпов. При столкновениях они теряют часть кинетической энергии и отдают ее детектору. Подобные столкновения происходят всего несколько раз в сутки, выделяемая энергия очень мала, но их можно зарегистрировать и отделить от столкновений с космическими лучами и земными радионуклидами. При отскоке ядра могут излучаться кванты света, которые уловят фотоумножители. При столкновении с вимпом атом может превратиться в ион, потерять часть электронов, которые можно детектировать.

Если в качестве рабочего тела используется материя в твердом состоянии, столкновения возбуждают колебания кристаллической решетки, и их тоже можно отследить. В реальных экспериментах три указанных выше способа можно скомбинировать. Самыми чувствительными детекторами вимпов являются установки на жидком ксеноне. В них используется комбинированный подход. Косвенный поиск темной материи обычно направлен на регистрацию гамма-квантов, которые могут родиться при столкновениях вимпов в дальнем космосе и, например, внутри Солнца. Поскольку природа вимпов неизвестна, пока никто в точности не знает, что нужно искать и как интерпретировать полученные результаты.

Ведется и поиск виспов, в первую очередь аксиона, о чем я уже упоминал выше. Эту легкую стабильную незаряженную частицу, теоретически предсказанную в рамках квантовой хромодинамики для объяснения отсутствия нарушения CP-симметрии, сложно обнаружить, но в сильных магнитных полях аксион может индуцировать возникновение фотонов. Именно этот эффект и используется в экспериментах по поиску аксионов, которые условно можно назвать «свет сквозь стену». Во время экспериментов лазерное излучение направляется на непрозрачную стенку, перед и за которой установлены сверхпроводящие магниты, генерирующие мощное магнитное поле. Существует вероятность, что фотон в сильном магнитном поле перед стенкой превратится в аксион, который пройдет сквозь преграду, а затем снова в фотон, который уже можно обнаружить с помощью очень чувствительных детекторов.

Возможно, поиск не очень успешен, так как для этого не хватает денежных средств, в особенности во время экономического кризиса. Если аксион и существует, его можно зарегистрировать лишь в очень сильных магнитных полях, где он превращает виртуальные фотоны в реальные. Для этого отлично подошли бы 18-тесловые магниты, которые уже есть на рынке и используются, еще лучше – экспериментальные 32-тесловые. Они стоят больших денег, а их не так просто получить. Те, кто в США финансирует эту область физики, не слишком верят в существование аксионов, считая, что есть гораздо более важные проекты, а в других странах ими практически не занимаются.