Вселенная.Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

Как видите, история знает много случаев, когда выдающиеся открытия начинались с того, что физики говорили: «Гм... Если бы у нас была частица, которая выглядела бы почти как вот эта, все бы замечательно сошлось с ответом... А вдруг существует неуловимая частица — и хотя мы ее почему-то не видим, она должна быть вот такой и вот такой». Такой подход, как в случае с нейтроном Резерфорда, иногда выявляет новые частицы, которые значительно упрощают картину125.

*С другой стороны, история знает много случаев, когда физики пили ртуть или хранили радиоактивные реактивы в прикроватных тумбочках.

Физики любят симметрию, в чем мы с неудовольствием убедились в главе 4. Согласно стандартной модели, существуют шесть разных кварков и шесть разных лептонов, и каждую из этих групп можно подразделить на две группы по три частицы. В случае лептонов у нас есть три (нейтральных) нейтрино и (заряженные) электрон, мюон и тау-частица. Более того, у каждой частицы есть античастица — причем их свойства практически идентичны, и только заряд противоположен. Существует множество разных способов сгруппировать частицы — но почти всегда в конце концов мы получаем группы с равным количеством частиц. Но в одном случае симметрия дает сбой. Стандартная модель подразделяет все частицы на две группы.

1. Фермионы — составляющие материи. В число фермионов входят кварки, электроны, мюоны, тау-частицы и нейтрино — и все эти частицы, как мы только что говорили, образуют чарующе симметричную картину.

2. Бозоны — переносчики взаимодействий. Это частицы, которые переносят различные силы. В число бозонов входят фотоны, глюоны, частицы W и Z, а также гравитон и частица Хиггса, если они существуют.

Если мы все подсчитаем, получится, что с учетом частиц и античастиц существует 28 бозонов — и целых 90 разных фермионов! Пусть количество «фундаментальных» частиц вас не пугает: большинство из них более или менее идентичны друг другу и различаются лишь несущественными деталями — например, цветом, как кварки.

Тем не менее тот факт, что количество фермионов не совпадает с количеством бозонов, откровенно обескураживает многих физиков. Почему частицы материи (фермионы) полностью отделены от сил (бозонов)? Если они две стороны одной медали, значит, фермионов должно быть в точности столько же, сколько и бозонов. Эта идея известна под названием «суперсимметрия» и предполагает, что существует уйма частиц, которых мы никогда не видели. Поскольку все эти частицы полностью гипотетичны, мы даем им смешные названия, похожие на марки макарон: «гравитино», «нейтрадино» (очередной кандидат на звание темной материи) и (наша любимая частица — уж больно остроумное у нее название) «вино» с ударением на «и» — суперсимметричный партнер W-частицы.

Эти частицы ведут себя почти как их обычные частицы-партнеры. Если бы суперсимметрия действительно была совершенной симметрией, тогда частица вино126 обладала бы той же массой, что и частица W, селектрон127 — той же массой, что и электрон, и так далее.

*Если хотите знать, вино само по себе не кандидат на роль темной материи, но ведь Рыжий, когда надерется, ничего не разбирает.

**Лишняя «с» означает «супер».

Разумеется, если бы это было так, мы уже давно получили бы эти частицы в наших ускорителях. Бели суперсимметрия существует, то она должна быть неполной — а значит, суперсимметричные партнеры, скорее всего, куда массивнее оригиналов.

Суперсимметричные частицы, подобно нейтрону, умели распадаться. Подобно тому, как массивные частицы распадаются на более легкие, вероятно, сейчас остались только легкие, поскольку им не на что распадаться. Все они называются общим термином «легчайшие суперсимметричные частицы» (Lightest Super symmetric Particles, LSP), и многие физики полагают, что это нейтралино. Если эта частица существует, то не исключено, что это и есть та самая частица темной материи, которую мы ищем.

Но мы обязаны сделать одно важное уточнение. На сегодняшний день данные наблюдений не дают ни малейших свидетельств, подтверждающих правильность суперсимметрии. Это физика «за пределами стандартной модели», а значит, объяснить все известные нам факты физики частиц можно и без суперсимметрии. Однако в прошлом мы великолепно подмечали симметрии, и всегда есть шанс, что симметрия и впредь поможет нам расширить свои знания о Вселенной.

Так из чего же состоит темная материя — из LSP или из чего-нибудь еще? Если темная материя состоит из каких-то разновидностей WIMP, обнаружить их будет относительно несложно — вот почему мы так уверены, что их откроют в ближайшие несколько десятилетий. Произведем краткий обзор состояния наших знаний на сегодняшний день. Мы с очень хорошей точностью знаем плотность массы темной материи во Вселенной, так что или у нас очень много легких WIMP, или относительно мало очень массивных. Мы точно знаем, что WIMP не могут быть слишком легкими, меньше массы протона, поскольку уже построили множество ускорителей, способных создавать легкие частицы, но пока что никаких WIMP не видели.

С другой стороны, WIMP могут быть очень тяжелыми и при этом не противоречить космологическим наблюдениям. Как мы уже объяснили, было жизненно необходимо, чтобы WIMP на ранних стадиях развития Вселенной умели превращаться в обычную материю, которую мы наблюдаем теперь, и наоборот, что задает нижний предел того, насколько темная материя способна взаимодействовать с обычной. Этот нижний предел взаимодействия задает и верхний предел массы частицы темной материи — она составляет 40 тысяч масс протона, хотя это очень завышенная оценка, поскольку большинство теорий предсказывают, что масса WIMP составляет меньше тысячи масс протона.

Нам нужно вычислить массу частицы темной материи и разобраться, в каких взаимодействиях эта частица участвует, а потом посмотреть, соответствуют ли эти данные суперсимметрии, теории струн или еще чему-нибудь. Однако получить частицы темной материи экспериментально очень трудно, поскольку они буквально утекают сквозь пальцы. Тем не менее мы располагаем несколькими способами узнать их характеристики.

1. Сделайте их сами.

В главе 4 мы уделили много времени разговору о том, как создавать в ускорителях массивные частицы вроде частицы Хиггса. А вдруг там можно создать и частицы темной материи? Конечно, частицы темной материи, как и нейтральную частицу Хиггса, руками не потрогаешь и на стол не положишь, но мысль эта здравая. Столкните друг с другом две частицы с достаточной энергией — и рано или поздно вы получите WIMP. Однако измерение их массы будет основано на том, чего мы не видим. Массой WIMP будет энергия, недостающая в балансе энергии столкновения (и масс сталкивающихся частиц) и энергий (и масс) вылетевших частиц.

2. Их полно кругом!

Мы уже говорили и снова повторим128, что буквально купаемся в темной материи, но не в состоянии засечь ее прямо, не считая гравитации (которая у отдельных частиц пренебрежимо мала) или слабого взаимодействия (которое вообще пренебрежимо мало, и точка).

*А вы нам не верите!

Тем не менее кое-что нам под силу — например, сделать ванны из жидкости, которая, будучи предоставлена сама себе, ни с чем не взаимодействует. Едва ли не самое масштабное мероприятие такого рода — это проект XENON100, в котором участвует около 120 килограммов жидкого ксенона. Ксенон выбран потому, что в нормальных условиях он не взаимодействует с другими материалами и не распадается. По мысли исследователей, если поместить детекторы глубоко под землю и внимательно следить, чтобы туда не попадали космические лучи, то при нормальных обстоятельствах необъяснимых сигналов быть не должно.

Установив ванны и детекторы, ученые просто сидят и ждут, когда мимо проскочат частицы темной материи. Может статься, такая частица ударит в протон, а протон выдаст излучение, которое удастся засечь. Пока что ни одной частицы мы не видели, но возлагаем большие надежды на детекторы нового поколения — которые куда чувствительнее.

3. Пусть Вселенная потрудится за вас.

Главное в WIMP — то, что их полным-полно129, пространство ими так и кишит.

*Видите? Так что не бойтесь поднять руку, пусть вас тоже сосчитают.