Физик Джон Эллис о гипотезах существования темной материи, ее составе и сложностях регистрации частиц темной материи

Что такое темная материя?

Физик Джон Эллис о гипотезах существования темной материи, ее составе и сложностях регистрации частиц темной материи

Одна из величайших тайн Вселенной — темная материя. Астрофизики десятилетиями наблюдали за Вселенной, и они говорят, что кроме видимой материи должен существовать и другой тип. До сих пор мы видели только ее гравитационное взаимодействие. Возможно, она принимает участие и в других взаимодействиях. Вероятно, мы можем ее зарегистрировать. Мы не знаем. Одна из величайших загадок в астрофизике и космологии — что такое темная материя.

История темной материи началась в 1930-х годах, когда швейцарский астрофизик Фриц Цвикки наблюдал скопление галактик в Волосах Вероники. Он обнаружил странную вещь: эти галактики двигались слишком быстро. Что это значит? Наблюдая галактики, вы можете рассчитать, какое гравитационное поле они создают, а затем с какой скоростью они должны двигаться, чтобы оставаться в пределах этого поля. Точно так же вы можете рассчитать скорость Земли, если знаете, что гравитационное поле в Солнечной системе создается расположенным в ее центре Солнцем.

Он обнаружил, что галактики в скоплении Волос Вероники двигались слишком быстро. Если бы в нем было только гравитационное поле, сгенерированное видимой материей, они должны были бы разлетаться, а не оставаться в скоплении. И он сказал, что, должно быть, там есть какая-то невидимая темная материя.

Это было в 1930-х годах. Долгое время на это не обращали внимания. Человеком, который убедил астрофизиков и других ученых в существовании темной материи, была астроном Вера Рубин. Она сделала по-другому: посмотрела на движение звезд в галактике и увидела тот же эффект, что и Фриц Цвикки, а именно — что звезды в галактике движутся слишком быстро. Гравитационного поля, созданного самими звездами, не было достаточно, чтобы удержать их на орбите вокруг центра галактики.

Это было в 1970-х годах. С того времени мы получили больше свидетельств о существовании темной материи. Мы можем измерить свойства заполняющего Вселенную фонового излучения, которое возникло во время рождения атомов, через 380 тысяч лет после Большого взрыва. При помощи этого света, который появился сразу после Большого взрыва, мы можем понять, чем была заполнена молодая Вселенная. Разумеется, в ней были радиация и видимая материя, из которой сделаны мы с вами, но, кроме того, должна быть и темная материя. Основываясь на наблюдениях, мы можем оценить количество темной материи и сравнить его с видимой материей. Темной материи во Вселенной примерно в 5–10 раз больше, чем видимой, поэтому можно говорить о том, что существование темной материи хорошо доказано и что это величайшая загадка в нашем понимании Вселенной.

Другой вопрос: из чего состоит темная материя? Возможно, из маленьких частиц — как те, которые мы видим на наших ускорителях. Но частицы темной материи должны обладать другими свойствами: известные нам частицы не могут их объяснить. Во-первых, частица темной материи не имеет электрического заряда или имеет заряд, но очень слабый, так что она отличается от электронов или протонов. Она должна очень слабо взаимодействовать, так что не может быть сделана из нейтральных элементарных частиц вроде нейтронов. Она должна обладать сравнительно большой массой, так что это не может быть нейтрино. Это должен быть новый тип частиц, который мы раньше не встречали.

Есть разные идеи о том, чем может быть частица темной материи. В зависимости от этих идей ученые предлагали разные способы, как можно ее зарегистрировать и понять, что это такое. В таких экспериментах можно искать частицу темной материи напрямую. Согласно нашей теории, прямо сейчас через эту комнату, в которой мы сидим, постоянно проходят частицы темной материи. Можно подумать: раз они проходят постоянно, их должно быть легко зарегистрировать? Но нет: они очень-очень слабо взаимодействуют, и, если вы попытаетесь измерить их свойства с поверхности Земли, вы получите чудовищный фон от космического излучения. Поэтому ученые уходят в глубокие подземные лаборатории, где космическое излучение до них не доходит: их закрывает поверхность Земли. Там они ищут очень редкие, слабые столкновения между частицами темной и обычной материи. Таких экспериментов сейчас очень много, но пока что никаких признаков частиц темной материи не обнаружено.

Что еще можно сделать? Если это действительно частицы и они весят меньше тысячи масс протона, то во время столкновения протонов при высоких энергиях на ускорителях могут получиться частицы темной материи. Это одна из крупных экспериментальных программ Большого адронного коллайдера ЦЕРН: они пытаются увидеть рождение частиц темной материи. На самом деле вы не сможете увидеть сами частицы, поскольку у них нет электрического заряда и они не взаимодействуют с детектором, но после рождения такая частица уносит энергию и импульс, а это можно зафиксировать. Вы делаете нечто вроде сводного баланса энергии и импульса после столкновения частиц и смотрите, все ли сходится. Если нет, вы говорите, что, может, это и есть темная материя.

Это два примера способов, с помощью которых ученые пытаются найти частицы темной материи. Есть и другая возможность, которую сейчас изучают: если вокруг нас во Вселенной есть частицы темной материи, время от времени они могут сталкиваться. В результате могут родиться частицы, которые мы сможем зарегистрировать, например, в космическом излучении. Это еще одно направление, которым занимаются астрономы и астрофизики: они ищут неожиданные частицы в космическом излучении — тоже пока безуспешно.

В отсутствие успеха ученые рассматривают и другие теории, чем может быть темная материя. Например, несколько лет назад были открыты гравитационные волны, возникающие при слиянии черных дыр. Ученые вспомнили старую идею о том, что темная материя может существовать не в форме частиц, а в форме массивных черных дыр. С этим связано много проблем: как вы сделаете так много черных дыр? Существует множество астрофизических ограничений на плотность черных дыр во Вселенной. Так что не думаю, что это верная теория, но какая-то часть темной материи может существовать в виде черных дыр.

Есть и другая точка зрения: темная материя может существовать не в виде отдельных частиц, а в форме волны, проходящей через Вселенную. В зависимости от того, какова плотность этой волны, получается какое-то количество темной материи. Некоторые ученые исследуют такую возможность.

Таково текущее положение дел в этой области. Темная материя — это большая загадка, с которой мы знакомы больше 80 лет. Астрофизики, космологи, специалисты по физике элементарных частиц детально изучали ее на протяжении 40 лет. У нас есть много идей о том, чем может быть темная материя, — от очень тяжелых черных дыр до волн невидимых частиц. Мы проводим разнообразные эксперименты в попытках увидеть, что же такое темная материя. Сейчас прямых данных у нас нет. Но для меня это один из самых захватывающих вопросов не только в астрофизике и космологии, но и в физике элементарных частиц, поскольку, видимо, есть целый мир частиц, о котором мы пока что ничего не знаем.