25.06.2017
0
419

В темноте о темной материи

Физики снова пропустили давно запланированную встречу со своим будущим. Последней и самой важной задачей ученых это поиск частицы которая, является составляющей темной материи — невидимое вещество,  составляющее около 85% массы космоса. Эти неуловимые частицы, имеющие название WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы), которые скорее всего просто лучше скрываются, чем мысли физиков. Кроме того, если предположить, что они не существуют, то ученым  придется пересмотреть все устройство Вселенной. Многие исследователи до сих пор надеются, что в обновленных версиях экспериментов они найдут неуловимые частицы, но другие принимают иной взгляд о концепции темной материи, давно считая ее существование маловероятным.

Первый разочаровывающий результат был получен летом 2017 года в результате LUX (Large Underground Xenon) эксперимента. Титановый бак, содержащий треть тонны жидкого ксенона  при температуре -100 градусов по Цельсию, был помещен внутрь гигантского бака с водой, погребенный в полутора километрах под Блэк-Хилс (бывший рудник Южной Дакоты). Там, защищенные от большинства источников загрязнения радиацией, исследователи потратили не один год времени, глядя на вспышки света, которые исходили от других частиц при взаимодействии с атомами ксенона. Но вимп-частицы так и не были найдены, о чем было объявлено 21 июля.

Второй разочаровывающий отчет был получен 5 августа 2017 года из самого большого в мире ускорителя частиц — Большого адронного коллайдера (БАК). С весны 2015 года БАК преследовал вимпы, сталкивая протоны при беспрецедентно высоких энергиях, со скоростью до миллиарда столкновений в секунду, толкая на новые рубежи физику элементарных частиц. На раннем этапе, две команды обнаружили явные аномалии в субатомных обломках: избыток энергии при столкновениях протонов, намекающий на «новую физику», возможно, производился от вимпов (или исследователи открыли новую частицу в молекулярной физике). Но после анализа данных, аномалия выдохлась, указав, что это было статистической случайностью.

Эти два нулевых результата, как нож с двухсторонним лезвием для темной материи. С одной стороны, их новые ограничения на массу (есть предположения, что вимпы не обладают массой) и взаимодействия вимпов закладывают новые планы для следующего поколения детекторов, которые могли бы претендовать на успех. С другой стороны, они исключают некоторые из самых простых и самых заветных моделей вимпов, что вызвало новые опасения — возможно ученым предстоит еще нескольких десятилетий провести в поисках темной материи.

Edward «Rocky» Kolb, ныне космолог университета Чикаго, еще в 1970-х годах помог заложить основу для охоты за вимпами. Он называет 2010-е годы — «the Decade of the WIMP» («Десятилетием вимпов»), но признает, что поиск продвигается не так как планировалось. «Мы сейчас в большей темноте касательно темной материи, чем были 5 лет назад», — заключает Kolb. Также ученый отмечает, что большинство теоретиков отреагировали на это, как «letting a thousand WIMPs bloom» («сдача тысячи вимпов»), создавая всё больше барокко и экзотических теорий, чтобы объяснить, как якобы вездесущие частицы уклоняются от всех наших детекторов.

Теоретики имеют две взаимосвязанные причины для охоты за вимпами. Первая заключается в том, что вимпы — это естественное следствие из наиболее популярных расширений стандартной модели физики элементарных частиц, которая предсказывает их рождение вскоре после Большого взрыва. Во-вторых, если такая исконная вимпов существует, простые расчеты показывают, что их обилие и поведение теперь должны почти точно совпадать с количествами и качествами темной материи вытекающими из наблюдений. Это так называемый чудо-вимп, поиски которого продолжаются уже в течение многих десятилетий, но теперь некоторые теоретики ставят под сомнение его существование.

Например, в 2008 году Jonathan Feng и Jason Kumar, на тот момент, работающие в университете Калифорнии в Ирвине, показали как такое известное явление, как суперсимметрия может производить гипотетический класс частиц намного легче и более слабо взаимодействующие чем вимпы. «Эти частицы приводят к тем же самым количествам темной материи, которые мы видим сегодня, но они не вимпы», — говорит Feng. «Это расстраивает «корзину яблок», потому что это так же хорошо мотивировано теоретически. Мы называем это чудом, но меньшим чем вимпы».

Затухающие теоретические обоснования для простых моделей вимпов, в сочетании с растущим списком пустых усилий обнаружения, привели Feng и многих других к предложению, что вимпы это часть более сложной картины: скрытое царство Вселенной, наполненное разнообразием тёмных частиц, взаимодействующих друг с другом через набор тёмных сил, возможно, обмениваясь тёмными зарядами сквозь всплески тёмного света. Поэтому теоретикам стоит играть с большим количеством переменных, такими как «тёмные модели сектора» которые могут быть согласованы, чтобы вписаться во всё более тесную смирительную рубашку фактов размещенную на тёмной материи новыми данными. Но недостатком является то, что эта расползающаяся гибкость делает их очень трудными для окончательной проверки.

«С темным сектором, вы вольны выдумывать почти все, что угодно», говорит David Spergel, астрофизик Принстонского университета. «Теперь, когда мы потеряли руководство от чуда-вимпа, пространство для доступных моделей просто огромно. Это площадка, где мы не знаем, что есть правильный выбор, и сейчас просто необходимо больше намеков от природы о том, куда идти дальше».

Некоторые физики, следуя намекам природы, полностью отказались от вимпов. Например, призрачные частицы, называемые нейтрино, как известно, существуют и бывают трех ароматов (видов). Хотя эти три разновидности недостаточно массивны для учета темной материи, в силу того, что наличие массы открывает возможность для существования четвертой разновидности — массивных, так называемых стерильных нейтрино. «Почти все нейтрино механизма массового поколения  требуют существования стерильных нейтрино, и было бы очень легко для некоторых из них учесть темную материю,» говорит Kevork Abazajian, теоретик в Ирвине.

Другая многолетняя темная лошадка, кандидат темной материи — аксионная, гипотетически слабо взаимодействующая частица, впервые постулирована в 1977 году, чтобы объяснить и решить иначе таинственную асимметрию в квантовых взаимодействиях. Аксионы для объяснения темной материи, должны занимать относительно узкий диапазон масс и быть гораздо легче вимпов. «Если мы не найдем вимпы, теоретики просто переключат свои ставки на аксионы,» говорит Peter Graham, физик из Стэнфордского университета.

За пределами вимпов и темных секторов, стерильных нейтрино и аксионов, есть и еще более экзотические возможности темной материи, хотя они и находятся на окраинах физики, включая «первородные» черные дыры, другие измерения и возможность того, что теория гравитации Эйнштейна в какой-то мере ошибочна.

Независимо от их предпочтительного кандидата, может быть большой проблемой для многих физиков, сталкивающихся с темной материей не в том, что концепция будет в итоге рассматриваться как недействительна или полностью ошибочна — наблюдательные свидетельства существования темной материи являются подавляющими. Вместо этого они беспокоятся, что личность темной материи может просто оказаться несущественной для других великих тайн физики и, следовательно, никакого нового пути к пониманию истинной природы реальности.

«Желание темной материи не только существовать, но и распутывать другие нерешённые проблемы Стандартной модели», говорит Jesse Thaler, физик из Массачусетского технологического института. «Не каждое новое открытие может быть откровением … где потом вдруг теории подходят друг к другу гораздо лучше. Иногда новые частицы просто приводят Вас к вопросу: «Кто это искал?” Живем ли мы во Вселенной, где каждое открытие приводит к более глубоким, более фундаментальным идеям, или же мы живем в иной Вселенной, где некоторые части имеют рифмы и причины, а другие нет? Темная материя предлагает любые возможности».

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
419

Подписаться на рассылку


Подписаться на рассылку


Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: