Теория симметронов. Проблемы и перспективы
В научно-популярных источниках, посвящённых крупномасштабному устройству мироздания, космическому ландшафту и инфляционной теории практически обязательно упоминается, что известная нам физика описывает только 4% всей материи, существующей во Вселенной. Около 22% остального содержимого Вселенной приходится на тёмную материю, а порядка 74% отводится на тёмную энергию. В сегодняшней статье я расскажу о симметронах — гипотетических частицах, которые могли бы объяснять некоторые свойства тёмной материи, а также о том, к каким подвижкам в науке привёл ещё не оконченный поиск симметронов.
На мой взгляд, подчёркивание «непознаваемости» тёмной материи и тёмной энергии — не лучшая позиция, которая сродни тезису «я умываю руки». Ранее в посте «Реликтовое излучение и кривизна Вселенной» я приводил оригинальную идею популяризатора Брайана Кокса, по мысли которого мы можем обитать на трёхмерной поверхности вращающейся четырёхмерной Вселенной, и именно такое вращение воспринималось бы как избыточная (тёмная) энергия от неизвестного источника.
Найти подобное объяснение для тёмной материи сложнее. Так, автор этой статьи проницательно отмечает, что такую материю с тем же успехом можно называть не «тёмной», а «прозрачной», так как свет свободно через неё проходит, а не взаимодействует с ней. Об открытии тёмной материи можно было бы объявить, получив такую (ныне не известную) частицу, из которой она состоит. В настоящее время поиски подобной частицы продолжаются. Одной из самых заметных теоретических концепций, претендующих на роль частиц тёмной материи, являются симметроны. Экспериментальных доказательств в пользу существования симметронов пока не существует, но я изложу, как зародилась эта концепция, и как она потенциально может быть вписана в современную физику.
Как возникла теория симметронов
Одно из самых заметных явлений, не укладывающихся в современную космологию — это так называемая «проблема спутникового диска». Установлено, что у многих спиральных галактик есть небольшие галактики-спутники; у Млечного Пути таковыми являются Большое и Малое Магелланово Облако, хорошо видные невооружённым глазом в южном полушарии.\
В 2010–2011 годах Курт Хинтербихлер из Центра Космологии Частиц (при физическом факультете Пенсильванского университета) совместно с коллегами сформулировали гипотезу о симметронном скалярном поле. Известно, что почти все галактики окружены облаками (гало) тёмной материи — однако, это правило не является абсолютным. В мае 2022 года была опубликована статья о галактике AGC 114905. Это диффузная спиральная галактика, похожая на Млечный Путь (но в несколько тысяч раз более тусклая), удалённая от нас на 250 миллионов световых лет — и в ней тёмная материя, по-видимому, отсутствует. Симметронное поле — скалярное, связанное именно с этим тёмным регионом. Степень гравитационной связи тёмной материи со «светлой» (обычной) материей зависит от плотности светлой материи, и выражена тем сильнее, чем эта плотность ниже. Соответственно, если симметроны и присутствуют в окружающем нас пространстве, они не проявляют себя, так как плотность материи на Земле очень высока (действие симметронного поля полностью перекрывается действием гравитационного). Но в таких регионах, где материя чрезвычайно разрежена (например, между спиральной галактикой и её галактиками-спутниками) воздействие симметронов может быть измеримым. Теоретически, воздействие симметронов должно приводить к формированию «разграничивающих стен» (domain walls) вокруг галактик, не позволяющих галактикам-спутникам свободно располагаться вокруг главной галактики.
Пока непонятно, почему мелкие галактики-спутники обращаются вокруг крупной спиральной в достаточно тонкой чётко очерченной плоскости, тогда как общепринятая сегодня космологическая модель (ΛCDM) допускает для них значительно более хаотичные и разнонаправленные орбиты. (Оговорюсь, что в настоящее время модель ΛCDM скатывается в явственный кризис, и уважаемый @SLY_G публиковал на Хабре статью с обзором её проблем).
В качестве решения этой проблемы астрономы Аниш Найк и Клэр Бэррейдж из Ноттингемского университета предлагают ввести «пятое взаимодействие», переносчиком которого должна быть гипотетическая частица, именуемая «симметрон».
В физике частиц любая частица является квантом собственного поля, точечным его выражением. Если существует поле (фиксируемое, например, в виде распространяющихся в нём волн). Так, после открытия гравитационных волн в 2015 году можно не сомневаться, что существует и частица гравитационного поля — гравитон, которая, однако, пока не открыта. Поле бывает векторным (если в каждой его точке задано направление, вектор) и скалярным — когда таких векторов нет.
В новой статье Найк и Беррейдж продемонстрировали описанные эффекты при помощи компьютерной симуляции, где смоделировали точечные галактики-спутники и бесконечную разграничивающую стену: https://github.com/aneeshnaik/PoSDomainWalls. Эта модель позволяет объяснить известное расположение галактик-спутников, не абстрагируясь от тёмной материи.
Симметроны и тёмная энергия: эксперименты
Итак, новая сила («пятое взаимодействие»), которая могла бы порождать симметронное поле и частицы-симметроны, должна пронизывать всю Вселенную. Если бы эту силу удалось зафиксировать экспериментально, она могла бы прояснить природу тёмной энергии, а также помогла бы понять, почему Вселенная расширяется с ускорением. Кстати, само поле называется «симметронным», так как в регионах с высокой плотностью вещества обладает симметрией, а в сильно разреженных областях, например, в межгалактическом вакууме, эта симметрия нарушается — и в результате симметронное поле опосредует новую силу.
Одна из первых попыток экспериментально проверить теорию симметронов была предпринята в 2013 году. Физик Амол Упадхи из Аргоннской Национальной Лаборатории, штат Иллинойс, вычислил, что на энергетических уровнях, близких к ожидаемым показателям тёмной энергии пятое (симметронное) взаимодействие могло бы проявляться на субмиллиметровых расстояниях. В таком случае симметронное поле могло бы оказывать эффект, похожий на отрицательное давление.
Тёмная энергия в принципе отождествляется с энергией вакуума, и считается, что её значение постоянно или, возможно, слегка варьируется. Значение тёмной энергии выражается космологической постоянной, и, по-видимому, это значение является положительным. Отрицательное давление — залог ускоренного расширения Вселенной.
Однако до сих пор не установлено, действительно ли космологическая постоянная является постоянной — то есть, не меняется ли она с течением времени и не отличается ли в разных регионах пространства.
Уже известно, что при сравнительно высоких плотностях общая теория относительности Эйнштейна нас не подводит. Возможно, в условиях нарушения симметрии при минимальной плотности материи в пространстве удалось бы вписать в ОТО и вклад симметронов. Можно ли проверить пятое взаимодействие экспериментально, получив в лаборатории вакуум с очень низкой плотностью? Чтобы это проверить, Упадхи предварительно рассчитал, что для опыта подойдут условия, при которых энергия связи составит 1 TэВ, а масса симметрона — 10–3 эВ. При таких вводных ему удалось решить уравнения для движущихся симметронов, чтобы определить, в какие ограничения должен укладываться симметрон.
Теоретические выкладки Упадхи попытались проверить в 2013 году в Унгиверситете штата Вашингтон, воспользовавшись для этого крутильным маятником Этвёша. При заданных параметрах колесо должно было бы вращаться под действием симметронного поля, так, что отверстия в нём выравнивались бы с отверстиями в зеркале (слева — схема, справа — сам прибор, использовавшийся при опыте). В том опыте симметронное поле обнаружено не было.
Аналогичный эксперимент с использованием медленных нейтронов также был поставлен в 2018 году в институте Лауэ-Ланжевена под руководством Хартмута Абеле. Эксперимент проводился в течение 100 дней на ультрахолодном источнике нейтронов PF2. Нейтроны пропускались от одного зеркала до другого и, если бы на них действовало симметронное поле, то у нейтронов должно было бы меняться квантовое состояние –, но этого также не наблюдалось. Притом, что опыт не исключает существования симметронов в принципе, он исключает их в достаточно широком диапазоне параметров, и тёмная энергия однозначно не может «генерироваться одними лишь симметронами».
На что могут пролить свет нейтронные звёзды
Тем не менее Хартмут Абеле указывает, что ситуация с поиском симметронов заходит примерно в такой же тупик, в котором когда-то пребывали поиски поля Хиггса и бозона Хиггса. Симметроны и бозон Хиггса схожи в том отношении, что симметронное поле, подобно полю Хиггса, должно пронизывать всё пространство и проявляться в условиях, принципиально отличающихся от «внелабораторных земных».
Есть основания полагать, что подходящей средой для поиска симметронов могут быть нейтронные звёзды. Нейтронные звёзды исключительно компактны и удобны для исследования эйнштейновской ОТО «на максимальных значениях». В типичных земных условиях период полураспада свободного нейтрона составляет примерно 611 секунд, а большинство свободных нейтронов распадается за 15 минут. За этот период нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Однако в нейтронных звёздах, состоящих исключительно из свободных нейтронов, эти частицы должны существовать гораздо дольше и распадаться с образованием частиц тёмной материи (потенциально — симметронов). В 2018 году Бартош Форнал и Бен Гринстейн из Калифорнийского университета в Сан-Диего предположили, что и в земных условиях нейтрон примерно в 1% случаев может испускать при распаде частицу тёмной материи, на обнаружение которой современные детекторы просто не настроены. Они попытались спроектировать эксперимент для поиска таких частиц, но в ответ получили критический анализ своей модели, проделанной в университете Урбана-Шамплейн, штат Иллинойс. Известные сегодня нейтронные звёзды состоят из одних только нейтронов, чему соответствует их измеренная масса (как правило — около двух солнечных). Если бы в этих нейтронных звёздах присутствовала значительная примесь других частиц (например, образующих тёмную материю), то масса такой звезды была бы значительно ниже (возможно, менее одной солнечной), а также серьёзно отличалась бы у разных нейтронных звёзд.
Тем не менее, к началу 2023 года была сформулирована альтернативная точка зрения, согласно которой примесь тёмной материи в нейтронной звезде серьёзно не скажется на её массе, зато заметно скажется на радиусе, и именно на этот фактор следует обратить внимание. Кроме того, в случае формирования разграничивающих стен (подобных межгалактическим) вокруг нейтронных звёзд, эти стены проявлялись бы при столкновении нейтронных звёзд. Также наличие таких стен можно было бы проверить, наблюдая за рисунком гравитационных волн при этих столкновениях. Наконец, многие вопросы могла бы прояснить экзотическая симметронная нейтронная звезда (SNS), поиски которой продолжаются в настоящее время.
Заключение
В целом теория симметронов оказалась в кризисе спустя 10–12 лет после того, как была сформулирована. Сложно представить, как экзотические частицы могут проявлять себя в настолько разреженных условиях, в которых должны формироваться межгалактические «стены», и в то же время сохраняться (а также стабильно образовываться) в сверхкомпактных нейтронных звёздах с очень высокой гравитацией. Но проделанная работа определённо привлечёт астрофизиков к более пристальному изучению окрестностей Магеллановых Облаков, а также состава этих галактик. Кроме того, появляется теоретическая база (и, возможно, научная актуальность) для моделирования нейтронных звёзд в лаборатории. Один из наиболее интересных проектов такого рода (правда, направленный на изучение антивещества) был предложен в 2021 году в дрезденском Центре им. Гельмгольца. По-видимому, симметрон до сих пор остаётся наиболее убедительным кандидатом на роль частиц тёмной материи, а также на роль носителя пятого фундаментального взаимодействия. Получить же их в лаборатории реально именно в качестве побочного продукта при изучении физики высоких энергий. К сожалению, до исследовательской экспедиции в район Магелланова облака ещё очень далеко.
