[Перевод] Узнаем ли мы когда-нибудь о том, что такое тёмная материя?
Поиски неуловимой материи подходят к своему пределу
Для большинства астрономов тёмная материя настолько же вещественна, как звёзды и планеты. Мы в рабочем порядке строим карты её распределения. Мы представляем себе галактики, как куски тёмной материи с множеством вкраплений светящейся материи. Мы понимаем формирование космической структуры и эволюцию всей Вселенной в целом с точки зрения тёмной материи. Однако же за десятилетие сложнейших поисков никто так и не смог обнаружить тёмную материю напрямую. Мы видим отбрасываемую ею тень, но не имеем ни малейшего понятия, что может скрываться на тёмной половине Вселенной.
Это однозначно не обычные объекты или частицы — этот вариант уже давно исключили. Теоретические аргументы говорят в пользу нового типа частиц, слабо взаимодействующих с обычной материей. Огромное количество таких частиц должно в каждый момент времени проходить сквозь нашу планету, и следует ожидать, что какая-нибудь из них должна оставить след. Физики выращивали кристаллы, наполняли криогенные баки, закапывали их глубоко под землёй, чтобы исключить обычные частицы, и искали крохотные импульсы тепла и вспышки света, которые должны были выдать проходящее мимо нечто, чего мы ранее не видели. И пока что результаты не воодушевляющие. В городе Лид в Южной Дакоте эксперимент LUX работает в полутора километрах под землёй в заброшенном золотом прииске. И ничего не нашёл. В Китае эксперимент PandaX в подземной лаборатории Джин-Пинг работает в туннеле, находящемся под слоем камня толщиной в 2,4 км. Он ничего не нашёл. В дорожном туннеле близ Фрежюс во Французских Альпах эксперимент EDELWEISS, работающий на глубине в 1,7 км, ничего не нашёл. Этот список можно продолжать.
Нулевые результаты быстро сужают участки пространства параметров, в которых может скрываться тёмная материя. Из-за острого недостатка данных физики-теоретики начали выдвигать теории об ещё более экзотических частицах, но большую часть таких кандидатов обнаружить было бы ещё сложнее. Можно было бы вместо этого надеяться получить частицы тёмной материи на ускорителе частиц, и таким образом сделать вывод об их наличии: посмотрев, не пропала ли энергия в столкновениях частиц. Но Большой адронный коллайдер занимался именно этим, и пока ничего такого не обнаружил. Некоторые теоретики подозревают, что тёмной материи нет, и наша теория гравитации — Эйнштейновская общая теория относительности — сбила нас с пути. ОТО говорит нам о том, что галактики разлетелись бы, если бы их не удерживала вместе невидимая материя, но, возможно, эта теория ошибается. Однако ОТО прошла все наблюдаемые проверки, а у всех конкурирующих теорий есть фатальные недостатки.
Восемьдесят пять процентов всей материи нам неизвестны. Больше всего мы опасаемся того, что так будет всегда.
Хотя большая часть экспериментов ничего не дала, два из них заявляют, что обнаружили тёмную материю. Оба заявления чрезвычайно противоречивы, но по разным причинам. Они могут ошибаться, но заслуживают внимательного рассмотрения. Эти случаи, по крайней мере, демонстрируют трудности поиска тёмной материи среди россыпей материи космоса.
Детектор частиц DAMA/LIBRA в Национальной лаборатории Гран-Сассо, расположенный в туннеле в 1,4 км под поверхностью горы на севере Италии ищет вспышки света, порождённые частицами тёмной материи, рассеивающимися с атомных ядер в кристалле йодида натрия. Он собирает данные уже тринадцать лет и зарегистрировал нечто необычное. Количество обнаружений частиц сезонно увеличивается и уменьшается; максимум приходится на июнь, а минимум — на декабрь.
Именно такого поведения можно ожидать от тёмной материи. Считается, что она формирует обширное облако, обволакивающее галактику Млечный Путь. Наша Солнечная система в целом движется сквозь это облако. Но отдельные планеты движутся сквозь облако с различными скоростями из-за своего орбитального движения вокруг Солнца. Скорость Земли относительно предполагаемого облака испытывает максимум в июне и минимум в декабре. Это определило бы скорость, с которой частицы тёмной материи пролетают через детектор, расположенный на Земле.
Никто не отрицает, что DAMA обнаруживает сезонную модуляцию с очень большой статистической значимостью. Но многие другие источники частиц также колеблются в связи с сезонами — к примеру, потоки подземной воды (влияющие на фоновую радиоактивность) или производство в атмосфере таких частиц, как мюоны. По последним подсчётам пять других экспериментов по всему миру заявляют об ограничениях, не соответствующих заявлениям DAMA. Единственный способ удостовериться в результатах — повторить эксперимент с таким же детектором в других местах, и сейчас уже готовятся несколько таких экспериментов. Один из них будет расположен на Южном полюсе, где сезонные локальные эффекты сдвинуты по фазе и отличаются от тех, что существуют в Италии.
Второй интригующий намёк на тёмную материю пришёл из непрямых экспериментов, ищущих не неуловимые частицы непосредственно, а вторичные частицы, которые они должны были породить при столкновении друг с другом и последующей аннигиляции. В 2008 году детектор PAMELA (Payload for Antimatter/Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics / Нагрузка по исследованию антиматерии и астрофизики лёгких ядер), установленный на российском спутнике Ресурс-ДК, и созданный специалистами России, Италии, Германии и Швеции, пронаблюдал неожиданно большое количество позитронов — аналогов электронов в антиматерии — приходящих из глубин космоса. Наблюдение недавно подтвердил магнитный альфа-спектрометр, расположенный на борту МКС. Тем временем космический гамма-телескоп Ферми сообщил о рассеянном свечении гамма-лучей, распространяющихся из центра Галактики. Его форма соответствует тёмной материи — сферически симметричной относительно центра галактики, с интенсивностью, возрастающей к середине.
Это почти слишком хорошо для того, чтобы быть правдой. К несчастью, наблюдения за позитронами и гамма-лучами можно объяснить и быстро вращающимися нейтронными звёздами, миллисекундными пульсарами. Параметры позитронов не соответствуют подходящим кандидатам на тёмную материю. Чтобы разобраться с этим случаем, необходимо проверить, не приходит ли позитроны с направлений от известных нейтронных звёзд. Флуктуации гамма-лучей уже принято относить на счёт множества слабых пульсаров, находящихся в центре Галактики. Также, если бы гамма-лучи исходили от тёмной материи, астрономы должны были бы обнаружить похожий сигнал, идущий от расположенных по соседству карликовых галактик, обладающих пропорционально большим объёмом тёмной материи, чем наша. Таких сигналов обнаружено не было.
Большая часть попыток поиска фокусируется на простейших кандидатах в частицы, известных как вимпы, слабовзаимодействующие массивные частицы. Слово «слабый» тут имеет двойной смысл: взаимодействие получается не сильным, и происходит посредством т.н. слабого ядерного взаимодействия. Такие частицы являются естественным расширением Стандартной Модели в физике частиц. Даже не зная всех деталей, из наречия «слабо» можно понять, как много таких частиц должно быть во Вселенной. В горячем доисторическом супе Большого взрыва частицы естественным образом создавались и уничтожались. При расширении Вселенной температура падает, и различные типы частиц, один за другим, в зависимости от массы, перестают появляться. Частицы могут и далее уничтожаться со скоростью, зависящей от силы взаимодействия, до тех пор, пока не распределятся слишком редко для того, чтобы сталкиваться друг с другом.
Учитывая силу взаимодействия вимпов, можно провести подсчёты и обнаружить, что в котле ранней Вселенной должно было появиться наблюдаемое количество тёмной материи. Получившиеся частицы должны весить в сотни раз больше протона. Из связанных со Стандартной Моделью и суперсимметрией расчётов следует существование подходящей зоны параметров для частиц тёмной материи — этот факт назвали «вимп-чудом».
Но, вероятно, это тот случай, когда прекрасную гипотезу убивает уродливый факт. Среди физиков растёт отчаяние, и они уже исследуют такие варианты, которые раньше считались второсортными и маловероятными возможностями.
Возможно, частицы тёмной материи чрезвычайно массивные. Существует естественный компромисс — чем более массивна частица, тем меньше их нужно, чтобы соответствовать общей массе, наблюдаемой астрономами, так что их может быть так мало, что наши детекторы их не замечают. Физикам потребуется совершенно другая стратегия поиска, возможно, связанная с влиянием этих частиц на старые нейтронные звёзды или другие небесные объекты.
И наоборот, частицы тёмной материи могут быть слишком лёгкими, чтобы оставлять следы в наших детекторах. Для их поисков физики могут воспользоваться уже доступным нам детектором: Солнцем. Солнце может захватывать частицы при движении через галактическое облако тёмной материи. Частицы могут рассеиваться на протонах в Солнце и изменять его температурный портрет. Это повлияет на турбулентные движения газовых вихрей, поднимающихся, опускающихся и закручивающихся в верхних слоях Солнца. И мы должны засечь это при помощи гелиосейсмологии, науки, изучающей возмущения, распространяющиеся внутри Солнца и их влияние на его поверхность — точно так же, как сейсмология изучает землетрясения. Оказывается, в гелиосейсмологии существуют необъяснимые аномалии, трудно примиряемые со стандартной моделью Солнца.
Если частицы тёмной материи накапливаются в Солнце, они могут аннигилировать в его ядре. Это приведёт к появлению нейтрино высоких энергий, которые смогут увидеть такие детекторы, как Супер-Камиоканде в центральной Японии и IceCube на Южном полюсе. Пока что не было сообщений о явлениях, подходящих на эту роль.
Самый экстремальный пример легковесной частицы — аксион, гипотетическая слабо взаимодействующая частица, с массой в триллион раз меньше, чем у протона. Она не будет полностью тёмной, но будет взаимодействовать с электромагнитным полем и сможет создавать микроволновые фотоны внутри впадин сильных магнитных полей. Эксперименты, пытающиеся обнаружить аксион, работают с 1980-х, и успехов у них не больше, чем у вимп-детекторов.
Возможно, тёмная частица — это вообще не частица, а «нечастица», как сказал один теоретик. Нечастицы — дальние родственницы электромагнитного поля, чья энергия не делится на отдельные пакеты. Они могут оставлять непрямые следы в данных коллайдера. Возможно, для сущности тёмной материи нет единственного решения. Ведь обычная материя тоже состоит из множества типов частиц. Тёмная материя тоже может состоять из нескольких участников, что затруднит поиски, ибо предполагаемые признаки любого конкретного кандидата в частицы будут размываться. Возможно, тёмная материя вообще не взаимодействует никак, кроме гравитации. Это ещё сильнее приблизит жизнь экспериментаторов к кошмару.
В каком-то смысле мы находимся в ситуации, о которой мечтают учёные. Старые идеи не работают, и требуются новые. Они могут появиться благодаря изучению новых типов частиц, или мы можем открыть новую непротиворечивую теорию гравитации, позволяющую отказаться от тёмной материи.
Но постоянное беспокойство состоит в том, что природа спрятала новую физику там, где мы не можем её найти. И хотя мы ещё не полностью исчерпали попытки найти вимпы, эксперименты не способны на нечто гораздо большее. Чем чувствительнее они становятся к тёмной материи, тем чувствительнее они к мусорным частицам, и не всегда могут отличить одно от другого. С текущей скоростью развития через десять лет их будут ослеплять нейтрино, испускаемые Солнцем, или космические лучи, сталкивающиеся с атмосферой Земли.
Солнце может быть естественным детектором тёмной материи. Изменения структуры слоёв Солнца под воздействием тёмной материи могут быть обнаружены астрономами. На картинке красным показаны участки, удаляющиеся от нас, а синим — приближающиеся.
В таком случае мы всё ещё можем продолжать попытки непрямого обнаружения. Одна из наиболее многообещающих — Массив черенковских телескопов, набор из более чем сотни телескопов, расположенных в Чили и на острове Пальма. Среди прочих задач, он будет заниматься поисками гамма-лучей, появляющихся в аннигиляции частиц тёмной материи в нашей и других галактиках. Но в какой-то момент эта стратегия поиска столкнётся с другой проблемой: стоимостью. Пока что детекторы тёмной материи принадлежат к наиболее экономичным из основных физических экспериментов, но если нам понадобится увеличивать их размер, чувствительность и сложность, их стоимость может превысить таких монстров, как Большой адронный коллайдер (почти $7 млрд) и телескоп им. Джеймса Уэбба (порядка $8 млрд), без каких бы то ни было гарантий успеха –, а это очень тяжело продать политикам.
Самым лучшим инструментом для открытия частиц тёмной материи был бы новый коллайдер. Где-то через три десятилетия физики планируют построить коллайдер, превышающий БАК по мощности в несколько рас. Исследования ведутся и в Китае, и в Европе. По грубым прикидкам, он будет стоить $25 млрд сегодняшних долларов. Это может быть реальным, если распределить нагрузку по времени и между несколькими странами. Но это, вероятно, окажется пределом. Даже если бы у физиков были неограниченные ресурсы, никаких выигрышей от постройки чего-то более крупного уже не было бы. Дальше любая неизвестная частица окажется настолько массивной, что Большой взрыв просто не мог бы породить их в достаточном количестве.
Несмотря на все эти невероятные попытки, мы можем и не обнаружить сигналы. Это довольно мрачная перспектива. Возможно, нет никакой тёмной материи. Мы продолжаем искать отклонения от ОТО. Пока что ни одного не нашли. И наоборот, обнаружение чёрных дыр через гравитационные волны в 2016 году поддержало теорию Эйнштейна — и, как следствие, существование тёмной материи.
Но есть и положительные стороны. Могут существовать поразительные тайны и открытия, связанные с тёмной стороной природы, на которые мы никогда бы не наткнулись, если бы не эти поиски. Пока мы ищем частицы. И нам ничего не остаётся, как идти дальше.
Джозеф Силк — космолог из Оксфордского университета, также работающий в Институте астрофизики в Париже и Университете им. Джона Хопкинса. Пионер исследований в области реликтового излучения и формирования космической структуры.
