Темным-темно Новый эксперимент претендует на изменение физической картины мира

В конце апреля на небольшом ускорителе в Лаборатории Джефферсона стартует эксперимент по поиску темной материи. В отличие от многолетних опытов на Большом адронном коллайдере, он продлится всего три недели, однако физики надеются, что за это время им удастся обнаружить гипотетическую частицу, известную как тяжелый, или темный, фотон. Если эта частица будет обнаружена, ученым придется существенно переписывать существующие модели устройства Вселенной.

Такие непривычные слова, как коллайдер, бозоны, нейтрино, кварки, Стандартная модель, за последние несколько лет прочно вошли в повседневный словарь даже далеких от физики граждан. Благодаря развитию технологий, в 2000-е у ученых появилась возможность изучать самые сокровенные уровни строения материи с интенсивностью, намного превосходящей их прошлые возможности. А кроме того, в современном мире господства медиа физические исследования получили небывалый доселе пиар.

Эксперименты и теория

При этом основные открытия физики элементарных частиц произошли значительно раньше - в первые шестьдесят лет XX века. Причем нередко новые открытия заставляли физиков полностью отказываться от устоявшихся и, главное, непротиворечивых представлений об окружающем мире. Так, в конце 1930-х годов ученые, исследующие космические лучи, обнаружили новую частицу, получившую название мюон, которая никак не вписывалась в существовавшую тогда физическую картину мира. Один из ведущих физиков того времени, нобелевский лауреат Исаак Рабби отреагировал на это известие досадливым восклицанием: "Ну, и кто это заказывал?!"

За несколько последующих лет экспериментаторы обнаружили еще несколько неизвестных ранее элементарных частиц - в общей сложности, их набралось двенадцать, удобно разместившихся в систему из трех семейств по четыре частицы в каждом. Из этих элементарных "кирпичиков", как считается, состоит все вещество во Вселенной. Вещество, или материя, не просто статично существует, а подвергается различным взаимодействиям, которые, как оказалось, делятся на четыре фундаментальных типа: сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного. Как установили физики, взаимодействия также переносятся частицами, хотя насчет существования частицы-переносчика гравитации - гравитона - среди ученых нет единого мнения.

Специалисты свели свойства всех открытых частиц и взаимодействий (кроме гравитационного) в единую теорию под названием Стандартная модель. Стандартная модель всем хороша, но у нее и предлагаемого ею описания мира есть несколько досадных недостатков, которые здорово беспокоят многих физиков. Во-первых, она никак не объясняет, почему частицы обладают именно такими свойствами - например, почему семейств частиц именно три, а не, скажем, восемь, или почему массы "родственных" частиц из разных семейств так сильно отличаются друг от друга - на первый взгляд, в значении этого параметра не наблюдается никакой системы. При этом даже очень небольшие изменения значений входящих в Стандартную модель параметров привело бы к капитальной перестройке Вселенной - такой мир не имел бы абсолютно ничего общего с той Вселенной, которую мы знаем.

Вопросы "а почему именно так?" возникают и по поводу фундаментальных взаимодействий, которые отличаются друг от друга на десятки порядков: например, сильное в тысячу раз превосходит электромагнитное, а электромагнитное в 10⁴²(!) раз сильнее гравитационного - хотя гравитация и не входит в Стандартную модель. И это еще один очень серьезный ее недостаток: хотя непреложных доказательств того, что все четыре взаимодействия должны объединяться в рамках одной теории, нет, большинство физиков уверены, что единая система должна существовать (многие люди, прочно забывшие физику сразу по окончании школы, тем не менее, помнят, что Эйнштейн последние несколько десятилетий своей жизни безуспешно пытался создать именно такую теорию).

Таким образом, в середине прошлого столетия основная проблема физиков заключалась в том, что у них была масса новых частиц, но не было системы, которая могла бы их упорядочить. К концу XX века ситуация сменилась на противоположную: множество специалистов сходятся на том, что Стандартная модель требует обновления или хотя бы кардинального пересмотра, но получить достаточные экспериментальные доказательства того, что эта система устарела (то есть обнаружить нечто, что никак не может быть объяснено в терминах Стандартной модели), никак не удается.

При этом физики разработали несколько теорий, претендующих на место долгожительницы. В число самых убедительных из них, несомненно, входят теория струн (или суперструн) и теория суперсимметрии. Доказательством правомерности этих или каких-либо других теорий, расширяющих Стандартную модель, должно стать обнаружение новых частиц или уточнение свойств уже найденных частиц (например, объяснение новых типов нейтринных осцилляций).

Больше всего надежд на обнаружение новых частиц ученые связывают с экспериментами на коллайдерах - физических приборах, которые с огромной энергией сталкивают друг с другом пучки различных элементарных частиц. В таких "авариях" исходные частицы "разлетаются" на другие частицы, которые, в свою очередь, могут распадаться еще на несколько "осколков". Рано или поздно образовавшиеся при соударениях частицы долетают до детекторов, и, анализируя их состав, энергию и траекторию движения, исследователи могут восстановить всю цепочку превращений.

Потерянная материя

Теперь самое время перенестись с Земли в далекий космос. Потому что у изучающих его астрономов возникли те же сложности, что и у физиков, следящих за столкновениями пучков на ускорителях элементарных частиц. Еще в 30-е годы XX века швейцарский астроном Фриц Цвикки предположил, что во Вселенной должна существовать некая ненаблюдаемая материя - причем ее должно быть очень много, гораздо больше, чем материи обычной. Гипотетическую субстанцию назвали темной материей, или скрытой массой, а необходимость в ней возникла из-за того, что гравитационного притяжения (а значит, массы) видимых в телескопы галактик и их скоплений никак не хватало, чтобы удержать компоненты Вселенной вместе (здесь можно прочитать об этом подробнее).

Позднейшие расчеты показали, что, в общей сложности, на темную материю должно приходиться около 23 процентов всей массы Вселенной, а доля видимого вещества не превышает 4,5 процента. Оставшиеся 72 процента "взяла на себя" темная энергия - сила, которая заставляет Вселенную расширяться с ускорением.

Гипотеза о существовании темной материи очень хорошо объясняет наблюдаемые космические явления, однако до сих пор экспериментально обнаружить частицы загадочной субстанции ученым не удалось, потому что она не испускает электромагнитного излучения, и, значит, ее нельзя увидеть ни невооруженным глазом, ни в телескоп (строго говоря, не найденной остается только так называемая небарионная темная материя, а существование барионной скрытой массы - тусклых планет-гигантов и коричневых карликов - ни у кого сомнений не вызывает).

При этом "подозрительных" наблюдений, которые могут косвенно указывать на присутствие темной материи, ученые зарегистрировали немало, однако все они так или иначе "не дотягивают" до полноценных доказательств. Например, в 2008 году прибор под названием PAMELA, (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics - аппарат для исследования антиматерии и астрофизики легких ядер), установленный на российском спутнике "Ресурс-ДК1", обнаружил в космических лучах избыток позитронов - положительно заряженных аналогов электронов. Предполагается, что при взаимной аннигиляции частиц темной материи (их называют вимпы) должны образовываться именно позитроны. Согласно большинству теоретических моделей, этот же процесс должен приводить к рождению пар протонов и антипротонов, однако их PAMELA обнаружить не удалось. О других попытках "поимки" темной материи можно прочитать тут.

Физики из лаборатории Джефферсона в штате Вирджиния, США придумали еще один способ обнаружить частицу ускользающей материи - причем даже "более темную", чем обычный вимп. Ученые, работающие на расположенном в лаборатории ускорителе CEBAF, надеются зарегистрировать рождение так называемых тяжелых, или темных, фотонов. В отличие от привычных квантов света, передающих электромагнитное взаимодействие, темные фотоны являются переносчиками пятой фундаментальной силы, действующей только на частицы "темного сектора".

Пока ни существование "темного сектора", ни наличие пятого взаимодействия однозначно не признано научным сообществом, однако вирджинские физики намерены провести задуманный ими эксперимент хотя бы по той причине, что он должен занять всего три недели. В течение этого времени ученые будут "разбивать" поток электронов о вольфрамовую мишень - в среднем, каждую секунду в нее будут "ударяться" около 500 миллионов электронов. Энергия электронного пучка такова, что при столкновениях с мишенью с высокой вероятностью будут рождаться темные фотоны (если они существуют), которые будет "ловить" детектор HPS (Heavy Photon Search - детектор по поиску тяжелых фотонов). Эксперимент стартует 24 апреля, и за 21 день ученые намерены "проверить" несколько возможных диапазонов массы темного фотона. Затем коллайдер закроют для переоборудования - энергию электронного луча увеличат вдвое, и такой апгрейд позволит в 2015 году начать поиски других частиц темного сектора.

В успех эксперимента на детекторе HPS верят немногие, но упустить шанс испытать захватывающую гипотезу всего за три недели и смешные три миллиона долларов (в эту сумму обошлось строительство детектора) ученые не могли. Очень может быть, что и эта попытка обнаружить загадочные частицы окончится неудачей. Но независимо от результата последней она точно не станет: физикам и астрономам очень нужна темная материя, так как без нее окружающий мир остается непонятным - что ученых, разумеется, не устраивает. Если же "темный сектор" так и не поддастся исследователям, им придется как-то "впихнуть" наблюдаемые аномалии в существующие модели - придумать новые проверочные эксперименты.