Каким был конец у тёмной матери-и?В 2017 году физики опять не нашли тёмную материю, и у многих из них лопнуло терпение. Эта заметка призвана объяснить широкой публике, почему они из-за этого так нервничаютСначала факты. В октябре минувшего года опубликованы результаты эксперимента XENON1T, проводившегося в итальянской лаборатории Гран-Сассо, а также аналогичного проекта китайских физиков PandaX. Несколько лет физики (вернее, придуманные ими детекторы) дежурили возле огромных баков с жидким ксеноном. Физики ожидали, что вот сейчас туда залетит частица т
ёмной материи, врежется в ядро ксенона и вызовет вспышку света. Но тщетно: вспышек не было.
И это не единственный опыт с отрицательным результатом: подобные эксперименты ведутся вот уже три десятилетия. Единственный обнадеживающий результат был получен в тех же горах Гран-Сассо, и мы о нем писали, но этот опыт так и не удалось воспроизвести. В ноябре этого года мелькнул еще один лучик надежды : ранее в космических лучах наблюдался избыток позитронов, про который думали, что он может быть от аннигиляции т
ёмной материи, а может быть просто мусором, выбрасываемым парочкой ближних пульсаров. Так вот, оказалось, что на пульсары этот избыток списать нельзя. По принципу «Если не шмутин, то кто» следовало бы приписать его т
ёмной материи. Однако все понимают, насколько вилами по воде писаны подобные интерпретации методом исключения — может, настоящий кандидат просто не был допущен к выборам?
Таким образом, вердикт таков: т
ёмную материю давно пора бы найти, но е
ё пока нет как нет.
Автор этих строк — физик разве что по диплому, и потому ему особенно легко поставить себя на место невежественного или, назовем его так, чистосердечного читателя. Для такого читателя нет ничего скучнее, чем какой-то там избыток позитронов или даже вспышки в чане с жидким ксеноном. Ему (то есть мне и вам) интересно вот что: каким образом эта самая т
ёмная материя — или тот факт, что е
ё все нет и нет, — меняет мо
ё представление о мире? Это мы сейчас и попытаемся совместными усилиями понять.
О коварстве природыНапомним в двух словах предысторию: о том, что кроме обычной материи есть еще и «т
ёмная», первыми догадались астрономы. Они заметили, что галактики раз этак в пять тяжелее, чем суммарное количество всей видимой материи в них (то есть звезд, газа, пыли, черных дыр и т. п.). На первый взгляд объяснить такое легче легкого: существуют, значит,
какие-то частицы, которые ни с чем никогда не взаимодействуют, кроме как посредством гравитации. Разумеется, по причине гравитации они будут собираться в сгусток вокруг каждого кусочка обычной материи, вроде галактик, так что к любой видимой массе добавится невидимая. А вот никакого другого способа их наблюдать в принципе быть не может. Раз уж они по определению «ни с чем не взаимодействуют», то в это «ни с чем» попадают и любые мыслимые приборы. Почему бы просто не предположить существование таких частиц и не перейти к более интересным делам?
Во времена Ньютона ничто не мешало так и поступить. В те золотые годы законы физики казались чем-то вроде оправы ювелирного украшения: вставьте в нее любые камни, какие вам заблагорассудится, и они обязаны подчиняться узору. Но с тех пор вс
ё сильно усложнилось: оказалось, что камни и оправа не существуют независимо друг от друга. «Законы физики» и «подчиняющаяся им материя» — это одно и то же. А значит, стоит предположить существование такой-то и такой-то частицы — и приходится в угоду ей менять всю физику.
Началось это, наверное, в 1928 году, когда Поль Дирак понял, что если есть на свете электрон, то просто обязан существовать и позитрон. Теория сложна, но лежащая в основе логика столь же банальна, как в рассуждении: «Если бывает мяч, летящий вправо, то может быть и мяч, летящий влево». С тех пор оказалось, что такого рода симметрий в природе полным-полно. В симметричную композицию невозможно что-то добавить по собственному произволу, и чем сложнее симметрия, тем ограниченнее возможности декоратора. Именно симметрия общей картинки, кстати, требовала существования бозона Хиггса, который искали целых полвека, но все же нашли.
Таким образом, мы не можем просто так добавить к картине мира новую частицу: надо найти ей место в симметрии вещей. То же самое можно сказать и другими словами: надо объяснить, как именно эта частица образовалась из невнятного высокоэнергичного месива Большого хлопка и почему этих частиц сейчас ровно столько, а не любое другое произвольное количество, в том числе «нуль».
О толстых рохляхВ физике оставалось не так уж много мест, куда можно было безболезненно воткнуть частицы т
ёмной материи, да еще в таких количествах, чтобы они составили 4/5 всего сущего. Одно из таких мест — «слабо взаимодействующие массивные частицы», или WIMPs. Название обидное (так еще называют толстых и безобидных американских очкариков, которых все дразнят и бьют), но зато, если предположить буквально вот эти два свойства — массивные и слабо взаимодействующие, — происходит чудо: оказывается, что в результате всей эволюции вселенной от Большого хлопка до наших дней этих рохлей должно было остаться ровно столько, сколько и наблюдается т
ёмной материи.
Мы тут неспроста упомянули об «общей картинке», для завершения которой физикам до такой степени был необходим бозон Хиггса, что человечество
угрохало миллиарды на его открытие. Эта картинка называется Стандартная модель, она включает в себя все известные частицы, и уж в ней-то никакого места для «вимпов» точно не было. Но Стандартная модель может быть немножечко расширена без ущерба для общей логики. Одно из таких продолжений называется суперсимметрией, и о ней важно знать, что вот в нее-то «вимпы» вписываются безукоризненно. О том, как суперсимметрия сразу все объясняет, можно прочитать в очаровательной книжке Гордона Кейна «Суперсимметрия», читайте на здоровье. А тут мы ее упомянули потому, что именно на гипотезе «вимпов» и, скорее всего, суперсимметричных «вимпов» базируется большинство попыток обнаружить т
ёмную материю. Вот эти лишние позитроны, которые у нас в начале заметки упоминались, — они как раз должны появиться при этих предположениях. И те вспышки в жидком ксеноне, которых так и не дождались итальянские и китайские физики, тоже. И на Большом адронном коллайдере давно бы уже должен быть открыт «легчайший суперсимметричный партнер».
А раз все это не открыто, возможно, мир устроен совсем по-другому.
Об отчаявшихся физикахОтчаявшиеся физики собрались на конференцию в Университете Мэриленда еще в марте 2017 года — за полгода до того, как итальянцы и китайцы официально объявили о своих неудачах. Обсуждали они там следующее: если самое естественное расширение границ физики — суперсимметрия — ровным счетом ничем не подтверждается, возможно, место для т
ёмной материи надо искать не там. Может, вместо того чтобы расширять границы старого дачного участка, надо осваивать совершенно новый надел, на вырубке среди густого леса. Физики назвали это гипотетическое место «т
ёмным» или «теневым сектором» (кажется, вы еще услышите этот никнейм). Теоретики быстро прикинули, каким он мог бы быть. Там, например, мог бы водиться массивный фотон, который иногда «подмешивался» бы к обычному фотону… Простому человеку в таких вещах ни за что не разобраться, но зато отсюда следует, что
тёмную материю искали совсем не там.
И самое главное: ее частицы должны быть куда легче, чем о них думали. Не тысячи масс протона, а порядка одной. У таких частиц чаны с жидким ксеноном вызывают лишь презрительный смех. Если вы любите биллиард (или его высшую разновидность снукер), то должны знать, что больше всего энергии (а именно всю) шар передает при лобовом ударе другому шару такой же массы. А вот от массы значительно большей — от бортика стола, к примеру — он, скорее всего, отскочит со всей своей первоначальной энергией. Поэтому легкие частицы т
ёмной материи надо ловить не в ксеноне, а, например, в жидком гелии. И буквально тотчас же после своей конференции отчаявшиеся — нет, снова опьяненные безумной надеждой — физики предложили эксперимент, позволяющий это сделать.
Остается найти на это деньги, и дело в шляпе. Если, конечно, новые предположения о «теневом секторе» действительно верны. Все же не стоит забывать, что они выглядят достаточно безумно не только для нас, невежественных профанов, но и для большей части научного сообщества.
Почему 2017 год — год конца тёмной материи?Настоящий год т
ёмной материи настанет, когда е
ё конец-наконец откроют. Но пока этого не произошло, 2017-й — лучший кандидат. В минувшем году физики, кажется, очень серь
ёзно задумались о том, что не всегда вс
ё складывается так удачно, как вышло с бозоном Хиггса. Иногда вроде по всем признакам должно быть так, а оно ррраз! — и вот этак. Это соображение, конечно, не помешает им просить у налогоплательщиков все больше денег на дорогостоящие эксперименты, но, возможно, откроет новые горизонты понимания мира. Или хотя бы понимания
того факта, насколько неправильно они всё понимали до сих пор.
И мы, невежественная публика, не будем злорадствовать, а наоборот, поаплодируем им. Такие лихие виражи познания учат смирению не только уч
ёных, но и нас, невежественную публику. Хотя у нас, в отличие от уч
ёных, при любом раскладе достаточно поводов для смирения. (
Например, изучить законы грамматики.)
Редакция : ВалераМатериал Алексея Алексеенко: Тёмная материя для тёмного сознанияА так-же во исполнение Федерального закона РФ от 01.07.2005, № 53 о защите буквы "Ё"https://snob.ru/entry/155897