Возможно, тёмная материя состоит из совершенно иного типа частиц, чем те, которые ищут физики. Появляются новые эксперименты, направленные на поиск этих сверхлёгких фантомов. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Введение
Конец для электронов, мчащихся со скоростью 99,9999999% скорости света через двухмильный лучевой трубопровод Национальной ускорительной лаборатории SLAC, оказывается жестоким: последний удар по конечной станции A. В конце 1960-х — начале 1970-х годов такие столкновения разделяли протоны и нейтроны, открывая элементарные частицы, из которых они состоят. Это открытие принесло руководителю эксперимента Нобелевскую премию. «Конечная станция A — это священное место в SLAC», — сказал физик Тимоти Нельсон.
Пройдя к задней части склада мимо груд оборудования, Нельсон указал на скелет старого эксперимента, за тем местом, где обрывалась труба исторического ускорителя размером со ствол дерева. Именно там, сказал он, эксперимент, который скоро будет построен, позволит обнаружить — или быстро опровергнуть — одного из самых популярных новых кандидатов на роль тёмной материи.
Почти столетие назад швейцарский астрофизик Фриц Цвикки описал скопление галактик, вращающееся, казалось, слишком быстро, чтобы удерживаться вместе видимой массой. Он предположил, что невидимая материя придаёт этому процессу гравитацию. Доказательства накапливались, и теперь исследователи полагают, что 85% материи Вселенной скрыто. Однако загадка природы тёмной материи остаётся неразгаданной.
В течение десятилетий исследователи сосредоточились на двух типах потенциальных частиц: слабо взаимодействующих массивных частицах (WIMP) и аксионах. Это простейшие формулы для тёмной материи, и каждый тип частиц также мог бы элегантно разрешить другие физические загадки. Но после примерно 40 лет тщетных поисков этих частиц — поисков, которые почти полностью исключили возможность того, что тёмная материя состоит из обычных WIMP, — физики стали гораздо более открытыми к тому, что может представлять собой тёмная материя. Возможно, тёмная материя вовсе не проста. Некоторые предполагают, что она может включать в себя целое семейство частиц, как и видимая материя.
«Наиболее распространённая гипотеза заключается в том, что это каким-то образом просто. С какой стати мы должны этого ожидать?» — сказал Филип Шустер, физик-теоретик из Стэнфордского университета. «Это совсем не то, что природа пыталась нам сказать последние 200 лет».
Откажитесь от парадигм вимпов или аксионов, и вам, вероятно, придётся отказаться от идеи, что тёмная материя состоит из частиц одного типа. Вместо этого новые модели предполагают множество чрезвычайно лёгких частиц, иногда называемых слабовзаимодействующими частицами. Сегодняшних исследователей тёмной материи особенно интересуют две категории этих частиц: «лёгкая тёмная материя» и «сверхлёгкая тёмная материя». Лёгкую тёмную материю можно рассматривать как более лёгкие вариации вимпов, в то время как сверхлёгкая тёмная материя состоит из ещё более лёгких аксионов.
Конечная станция A — место проведения эксперимента в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, где более полувека назад были открыты кварки. Теперь физики SLAC, включая Тима Нельсона (справа), готовятся провести здесь новый эксперимент по поиску тёмной материи.
В связи с появлением целых семейств более легких и менее взаимодействующих объектов-кандидатов на роль темной материи по всему миру разрабатывается множество более мелких и быстрых экспериментов для их поиска.
В 2019 году Министерство энергетики США запустило программу «Новые инициативы по исследованию тёмной материи» для финансирования исследований, направленных на проведение экспериментов, которые могли бы быстро прийти к результатам — за годы, а не за десятилетия, как это было бы необходимо для традиционных исследований тёмной материи. Сегодня ряд этих проектов готов к реализации. Эксперименты, направленные на изучение различных областей пространства возможностей, также разрабатываются в Европе и Азии.
«Если вернуться к тому, какой была физика элементарных частиц в 1920-х и 1930-х годах, то это были лишь небольшие проекты, часто реализуемые университетами или частными спонсорами, которые поддерживали эти небольшие начинания, в конечном итоге совершившие революцию в этой области», — сказал Шустер. «А после Второй мировой войны всё переключилось на масштабные, крупные проекты. Небольшие экспериментальные работы просто сошли на нет».
Шустер и Наталия Торо, также физик из Стэнфорда, принимают участие в работе по поиску иголки (или иголок) в стоге сена скрытых возможностей частиц.
«Существует область тёмной материи с меньшей массой, обладающая очень схожей физикой», — сказал Торо. «Теоретически вполне обоснованная и экспериментально доступная. Мы просто не пытались переворачивать эти камни. Наверное, стоит».
WIMP и аксионы
Вимпы, масса которых может варьироваться от одной до 100 000 масс протона, идеально соответствуют теории их изначального происхождения. Они обладают правильными массами и силой взаимодействия, позволяющими им в изобилии образоваться во время Большого взрыва, а затем аннигилировать друг с другом с нужной скоростью, превратившись в остаточную тёмную материю, существование которой сегодня предполагается во Вселенной, так называемый тепловой реликт.
WIMP также стали любимцами темной материи из-за «чуда WIMP»: их предполагаемый диапазон масс и взаимодействия соответствуют профилю одной из частиц, предсказанных суперсимметрией, привлекательным гипотетическим расширением известных элементарных частиц.
С 1990-х годов эксперименты были направлены на поиск признаков периодического взаимодействия вимпов с протонами и нейтронами посредством слабого взаимодействия. Но эти поиски не увенчались успехом. Это означает, что вимпы должны взаимодействовать посредством слабого взаимодействия ещё слабее, чем ожидалось. В какой-то момент сила их взаимодействия становится слишком низкой для соответствия термореликтовой модели.
Хотя поиски вимпов ещё не завершены, осталось не так много мест для поиска. Детекторы стали настолько эффективны в обнаружении слабо взаимодействующих частиц материи, что их фактически ослепляют все нейтрино, исходящие от Солнца, сказал Торо. «Так что это своего рода конец эпохи обнаружения вимпов».
Аксионы, другие ранние фавориты, настолько лёгкие, что ведут себя скорее как волны, чем как частицы, подобно нашему пониманию безмассовых частиц, таких как фотоны. Эти частицы-кандидаты совершают своё собственное чудо физики частиц, решая проблему «сильной CP-симметрии». Короче говоря, законы физики частиц не объясняют, почему сильное взаимодействие, удерживающее вместе атомные ядра, ведёт себя одинаково при инвертировании заряда и «чётности» частиц. Эта «CP-симметрия» указывает на недостающую физику. Аксионы были введены как способ обеспечения симметрии посредством крошечного силового поля, стабилизирующего сильные взаимодействия.
В течение десятилетий эксперименты по поиску аксионов шли, хотя и очень медленно. Детекторам первого поколения приходилось проводить длительные измерения, чтобы отличить шум от приглушенного сигнала потенциальных взаимодействий аксионов. В результате была исследована лишь небольшая часть диапазона масс аксионов. Но до сих пор аксионы не были обнаружены.
Более легкая темная материя
Примерно к 2008 году начала формироваться идея о частице тёмной материи, похожей на вимп, но меньшего размера. Для физиков эта «лёгкая тёмная материя» подобна встрече со знакомым лицом в чужой стране: предполагаемые частицы существуют в диапазоне масс, схожем с массами обычной материи — от электрона до протона. (Протон весит примерно столько же, сколько 1800 электронов.)
Но как только масса слабо взаимодействующей частицы падает ниже массы протона, она не могла бы так легко столкнуться и аннигилировать в ранней Вселенной. Таким образом, чтобы соответствовать тепловому реликту, лёгкой тёмной материи требуется существование как минимум одной неизвестной силы, которая действовала бы на частицы тёмной материи.
Каждая сила природы опосредована частицей-переносчиком. Частица, передающая гипотетическую силу, связанную со светлыми частицами тёмной материи, относится к классу «портальных частиц», которые являются мостом между обычной и тёмной материей. По мнению Торо, «лёгкие» портальные частицы взаимодействуют с лёгкими частицами тёмной материи и очень слабо – с обычной материей. Одним из популярных кандидатов является тёмный фотон, прямой аналог привычного фотона. Возможны и другие порталы, например, частицы типа Хиггса или переносчики взаимодействия, не имеющие известных аналогов.
Специалисты по физике элементарных частиц из SLAC и Стэнфордского университета Наталия Торо и Филип Шустер возглавили усилия по разработке новых возможностей для изучения природы темной материи и способов их поиска.
Если или когда запланированный проект SLAC, эксперимент по исследованию лёгкой тёмной материи (LDMX), получит финансирование (решение Министерства энергетики ожидается примерно в течение следующего года), он будет проводить сканирование на наличие лёгкой тёмной материи. Эксперимент предназначен для ускорения электронов в направлении мишени из вольфрама на конечной станции A. В подавляющем большинстве столкновений разгоняющегося электрона с ядром вольфрама ничего интересного не произойдёт. Но редко — порядка одного раза на 10 000 триллионов столкновений, если лёгкая тёмная материя существует — электрон вместо этого будет взаимодействовать с ядром посредством неизвестной тёмной силы, образуя лёгкую тёмную материю, что значительно истощает его энергию.
Эти 10 000 триллионов — на самом деле наихудший сценарий для лёгкой тёмной материи. Это наименьшая скорость, с которой можно производить тёмную материю, соответствующая измерениям тепловых реликтов. Но Шустер утверждает, что лёгкая тёмная материя может образовываться более чем в одном случае из 100 миллиардов столкновений. Если это так, то, учитывая запланированную частоту столкновений в эксперименте, «это колоссальное количество тёмной материи, которое можно произвести».
По словам Нельсона, для окончательного обнаружения или исключения теплового реликтового света темной материи проекту LDMX потребуется от трех до пяти лет.
Сверхлегкая темная материя
Другие охотники за тёмной материей настраивают свои эксперименты на другого кандидата. Сверхлёгкая тёмная материя подобна аксиону, но ей больше не нужно решать сильную CP-проблему. Благодаря этому она может быть гораздо легче обычных аксионов, всего лишь до 10 миллиардных триллионной массы электрона. Эта крошечная масса соответствует волне с огромной длиной волны, сравнимой с небольшой галактикой. Фактически, масса не может быть меньше, поскольку в противном случае ещё большие длины волн означали бы, что тёмная материя не могла бы концентрироваться вокруг галактик, как это наблюдают астрономы.
Сверхлёгкая тёмная материя настолько мала, что считается, что частицы тёмной силы, необходимые для осуществления её взаимодействий, обладают огромной массой. «Этим посредникам не дано названия, — сказал Шустер, — потому что они находятся за пределами любого возможного эксперимента. Они должны присутствовать [в теории] для согласованности, но нас они не беспокоят».
История происхождения сверхлёгких частиц тёмной материи зависит от конкретной теоретической модели, но Торо утверждает, что они могли возникнуть после Большого взрыва, поэтому аргумент о тепловом реликте неуместен. Существует и другая причина для размышлений о них. Эти частицы естественным образом вытекают из теории струн, претендующей на роль фундаментальной теории физики. Эти слабые частицы возникают из-за того, что шесть крошечных измерений могут быть свёрнуты или «компактифицированы» в каждой точке нашей четырёхмерной Вселенной, согласно теории струн. «Существование лёгких аксионоподобных частиц в значительной степени обусловлено множеством видов компактификаций струн», — сказала Джесси Шелтон, физик из Иллинойсского университета, — «и это то, к чему мы должны относиться серьёзно».
Вместо попыток создания тёмной материи с помощью ускорителей, эксперименты по поиску аксионов и сверхлёгкой тёмной материи направлены на обнаружение тёмной материи, которая, предположительно, нас окружает. Судя по её гравитационным эффектам, тёмная материя, по-видимому, наиболее плотно распределена вблизи центра Млечного Пути, но, по одной из оценок, даже здесь, на Земле, можно ожидать, что тёмная материя будет иметь плотность почти в половину массы протона на кубический сантиметр. Эксперименты пытаются обнаружить эту вездесущую тёмную материю с помощью мощных магнитных полей. Теоретически, эфирная тёмная материя время от времени поглощает фотон из сильного магнитного поля и преобразует его в микроволновый фотон, который можно обнаружить в ходе эксперимента.
Два предлагаемых эксперимента направлены на изучение тёмных частот: DM-радио в Стэнфордском университете и ADMX-EFR (эксперимент по исследованию тёмной материи в расширенном диапазоне частот) в Вашингтонском университете. Оба эксперимента изначально были задуманы для поиска аксионов, но сейчас они пересматриваются для поиска более лёгких вариантов.
Самая большая проблема для обоих экспериментов, которые также ожидают решения Министерства энергетики США о финансировании, заключается в слабом уровне сигнала предсказанных микроволновых фотонов. Этот слабый сигнал требует устранения всех экспериментальных шумов, за исключением квантового дрожания, присущего системе, и исследователи считают, что смогут преодолеть это препятствие.
Пока исследователи ждут слабых сигналов от слабых частиц, другие теории тёмной материи продолжают развиваться. Некоторые физики-теоретики пересматривают давно забытую идею о том, что эта невидимая материя может принимать форму первичных чёрных дыр, образовавшихся во время Большого взрыва. Ещё одна возможность заключается в том, что общепринятая теория гравитации не совсем верна. Однако пока конкурирующие теории гравитации не вызвали особого интереса.
«На данный момент, — сказал Шустер, — давайте будем честны, все строят догадки».
Источник: www.quantamagazine.org
