Монументальный космический «парад» с участием Солнца и чёрной дыры может помочь в поиске частиц, из которых состоит тёмная материя.
Парады планет – относительно редкое явление, суть которого заключается в том, что несколько планет выстраиваются вдоль прямой линии. Но есть во Вселенной и более масштабные «парады», вроде того, который произошёл 18 декабря, когда Земля, Солнце и чёрная дыра в центре Млечного Пути выстроились в ряд. И хотя напрямую наблюдать такое событие затруднительно, астрофизикам всё же удалось выполнить во время него любопытные измерения, напрямую касающиеся проблем тёмной материи и энергии.
Наша Вселенная состоит преимущественно из материи. Однако во время Большого Взрыва должно было образоваться одинаковое количество материи и антиматерии. Так называемый СР-инвариант был предложен Львом Ландау как основополагающая симметрия между материей и антиматерией: они превращаются друг в друга при зеркальном отражении с одновременной заменой всех частиц на античастицы, и физические законы должны подчиняться инварианту без исключения. Тем не менее, СР-инвариант оказался нарушен, и материи оказалось больше, чем антиматерии. Точный механизм того, почему так вышло, пока неясен, и это одна из очень важных неразрешённых проблем физики.
На сегодняшний день у нас есть экспериментальное подтверждение того, что СР-инвариант нарушен для слабого взаимодействия, отвечающего за процессы ядерного распада. Но при том неясно, достаточно ли одного такого нарушения инварианта, чтобы объяснить дисбаланс между материей и антиматерией.
В то же время сохранение СР-инварианта в сильном взаимодействии, которое удерживает ядра вместе, является важной задачей квантовой хромодинамики – раздела теоретической физики, который описывает сильное взаимодействие. Уравнение, которое описывает сильное взаимодействие, содержит параметр, при ничтожно малом значении которого СР-симметрия сохраняется. Но почему из всех возможных значений он принимает именно это значение? В конце 70-х годов Роберто Печчеи и Хелен Куинн предложили элегантное решение проблемы. Они предположили, что в уравнение нужно включить не внешний параметр, а поле гипотетической электронейтральной частицы с очень малой массой, которую назвали аксионом.
У аксиона оказалось большое будущее. Дело в том, что другая фундаментальная загадка, которую пытаются разгадать современные физики – это вопрос о природе тёмной материи и тёмной энергии. Они называются тёмными, потому что никак не взаимодействуют со светом, и их невозможно наблюдать напрямую. Тем не менее, именно они позволяют объяснить скорость расширения Вселенной; более того, расчёты показывают, что количество тёмной материи и энергии во Вселенной намного больше, чем материи «осязаемой».
Существует несколько теорий, которые описывают возможное устройство тёмной материи, большая часть которых сходится на том, что тёмная материя состоит из электронейтральных частиц с очень маленькой массой, что сводит к виртуальному минимуму их взаимодействие с «обычной» материей. Таким образом, аксион вполне может быть одним из «кирпичиков» тёмной материи. Предположительно, находясь в сильном магнитном поле, аксион должен превращаться в фотон из рентгеновского спектра. Если так, то его можно обнаружить экспериментально.
Хамелеон – ещё более экзотическая частица, которую тоже считают «членом» тёмной материи. Эффективная масса хамелеона зависит от плотности энергии окружения, и если в межгалактическом пространстве масса хамелеона будет очень малой, то, к примеру, на Земле, она должна быть существенно больше. Хамелеоны, как и аксионы, должны превращаться в фотоны в сильном магнитном поле, поэтому обе частицы можно искать, используя одну и ту же экспериментальную установку.
Европейская организация по ядерным исследованиям, или ЦЕРН (CERN), помимо основной своей деятельности, приютила у себя большое количество «дочерних» исследований. Некоторые из них выполняются на Аксионном Солнечном Телескопе ЦЕРНа (CAST – CERN Axion Solar Telescope), который объединяет астрономию с наработками в области ускорителей, детекторов рентгеновского излучения, магнитов и криогеники. Эксперименты на CAST'е нацелены на поиск аксионов и хамелеонов. Если аксионы существуют, они должны существовать в центре Солнца. В тот момент, когда Солнце и Земля находятся на одной линии с чёрной дырой, физики могут использовать Солнце как часть своего оборудования: его гравитационное поле должно сфокусировать медленные аксионы или хамелеоны, испускаемые чёрной дырой. Эксперимент 18 декабря стал первой попыткой телескопа уловить экзотические частицы, испускаемые чёрной дырой.
«Обычно мы пытаемся найти солнечные экзотические частицы, но в такой особенный день (когда происходит «парад» с чёрной дырой – прим. ред.) мы способны заглянуть дальше Солнца, и посмотреть, не случится ли что-нибудь ещё. Центр галактики может испускать частицы, которые мы могли бы детектировать. Это бы дало нам много новой информации о «тёмной вселенной», потому что Солнце должно усилить слабый поток частиц в миллиард раз в тот момент, когда оно находится между чёрной дырой и нашей планетой», – объяснил Константин Циутас, представитель исследовательской группы, выполнявшей эксперимент.
В основе CAST’а – дипольный магнит; из таких магнитов составлен Большой адронный коллайдер. Продольное отверстие внутри магнита (изначально предусмотренное для ускорения элементарных частиц в коллайдере) в данном случае используется как «подзорная труба». Система фокусирующих зеркал для рентгеновских лучей заимствована у Немецкой космической программы. Собственно, «глаз» телескопа представляет собой детектор рентгеновского излучения, а принцип работы устройства в целом заключается в том, что сильное магнитное поле служит эффективным «катализатором» для трансформации аксионов в лучи рентгена, которые улавливает специальный детектор.
Чтобы измерить взаимодействие хамелеонов с материей, физикам нужно «увидеть», как хамелеоны «отскакивают» от атомов, и здесь требуется оборудование с чрезвычайной чувствительностью. Для этой цели физики построили дополнительную «ловушку» – KWISP, или Тонкий кинетический детектор слабовзаимодействующих частиц. KWISP оборудован специальным мембранным силовым сенсором, который вибрирует с определённой частотой, когда на него попадают хамелеоны.
Сейчас физики обрабатывают полученные данные, однако пока предварительные результаты никаких новых частиц не выявили. В следующем году «парад» включит в себя и Луну, что, возможно, увеличит вероятность обнаружения экзотических аксионов и хамелеонов.
