Что, если я скажу вам, что тёмную материю нельзя увидеть, но, возможно, можно услышать? Знаю, знаю, звучит как бред… так оно и есть. Но это настолько безумно, что может сработать. Речь идёт о реальном эксперименте под названием… дайте-ка вспомнить… «Криогенный поиск редких событий с помощью сверхпроводящих термометров», или CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) — там два «с», если вы не заметили. Да, акроним не самый удачный, но что поделать.
Эксперимент проводится глубоко под горой Гран-Сассо в центральной Италии (кстати, Gran Sasso с итальянского переводится как «великая скала» — вот вам и бонусная тема для разговора на следующем свидании). В его основе — гигантский кристалл вольфрамата кальция, также известного как шеелит. Этот кристалл охлаждён до температуры всего в несколько милликельвинов, почти до состояния сверхпроводимости.
Идея в том, что если частица тёмной материи столкнётся с детектором, она заставит кристалл вибрировать (ведь энергия должна куда-то деваться), что нарушит его сверхпроводимое состояние и будет зафиксировано как сигнал.
CRESST работает уже много лет, но до сих пор не было ни одного подтверждённого случая обнаружения частицы тёмной материи. Однако в науке эксперимент считается провальным, только если он ничему не научил. А CRESST определённо дал нам новые знания о тёмной материи. В частности, мы узнали, чем тёмная материя не является.
В научных статьях об экспериментах по поиску тёмной материи часто встречаются графики и диаграммы, подобные этой. Важно помнить, что мы не знаем, что именно представляет собой частица тёмной материи. У нас есть несколько предположений, основанных на различных теориях и концепциях, но в конечном счёте мы не знаем точных свойств этой частицы. В частности, нам неизвестна её масса и то, насколько легко или редко она взаимодействует с обычной материей.
Наблюдения за Вселенной позволили нам установить некоторые ограничения и исключить множество вариантов, например, нейтрино. Но всё остальное — пока что загадка. Это ставит перед нами две задачи. С одной стороны, нам нужно выдвигать разумные и обоснованные гипотезы о возможных кандидатах, что требует творческого подхода, теоретизирования и немалой доли догадок. С другой стороны, мы должны разрабатывать эксперименты, которые могут либо опровергнуть конкретные гипотезы, либо, если это не удастся, установить более точные рамки для возможных свойств тёмной материи.
Именно так и появляются подобные графики. Они показывают, как конкретный эксперимент исключил определённые диапазоны масс и силы взаимодействия для тёмной материи. Проще говоря, если эксперимент работает какое-то время и ничего не обнаруживает, можно с уверенностью заявить, какими свойствами тёмная материя не обладает. Например, что она не может иметь определённую массу при определённой силе взаимодействия. И этот процесс повторяется снова и снова. Конечно же, проводится не один эксперимент. Помните, тёмная материя может иметь широкий диапазон масс и сил взаимодействия, и ни один эксперимент в одиночку не способен охватить все возможные варианты.
Масса частицы тёмной материи может варьироваться в диапазоне более 50 порядков. Поскольку речь идёт о частице, мы используем язык физики элементарных частиц, а значит, выражаем массу в электрон-вольтах, или эВ. В верхней границе диапазона отдельная частица тёмной материи может весить от 10²⁴ до 10³⁰ эВ, что сопоставимо с массой от бактерии до небольшого насекомого. Учёные в основном сходятся во мнении, что частицы тёмной материи вряд ли могут быть крупнее, поскольку объекты с массой, скажем, планеты или звезды уже были бы обнаружены с помощью гравитационного линзирования.
На другом конце спектра находятся ультралёгкие частицы тёмной материи с массой до 10⁻²¹ эВ, что открывает несколько очень интересных возможностей, о которых я расскажу чуть позже.
Однако на протяжении десятилетий нашим главным кандидатом на роль тёмной материи был ВИМП (WIMP — Weakly Interacting Massive Particle), или слабовзаимодействующая массивная частица. Предполагалось, что её масса находится в диапазоне от нескольких миллиардов до триллионов электрон-вольт, что сопоставимо с массой известных тяжёлых частиц, таких как W- и Z-бозоны и топ-кварк. То есть частица большая, но не слишком. Теория ВИМПов была удобна, потому что различные теоретические расширения Стандартной модели предсказывали существование частицы с подходящей массой и свойствами (то есть, в основном невидимой).
Я не устану это повторять: ВИМПы — не самая гениальная идея в физике, а вся гипотеза тёмной материи построена на косвенных доказательствах. Но из всех имеющихся у нас вариантов — это наименее плохой. Это самое простое объяснение для наибольшего числа наблюдений. Это проявление концепции, которую мы часто используем в физике — принципа парсимонии (или бритвы Оккама). Мы относимся к теоретическим идеям как к аспирантам: как получить максимум работы при минимуме усилий, или как получить наибольшую объяснительную силу при наименьшем количестве допущений.
У гипотезы тёмной материи есть свои недостатки, и она, конечно, не может объяснить все наблюдения, а ВИМПы — это частицы, которые лишь на волосок отстоят от сказочных выдумок. Но любая другая гипотеза требует больше допущений (имеет больше «подвижных частей») и обладает меньшей объяснительной силой (согласуется с меньшим числом наблюдений).
Так что… пожимаем плечами… пусть будут ВИМПы.
Пока не доказано обратное. Потому что мы можем сколько угодно спорить о принципе парсимонии, наблюдениях и альтернативах, но в науке окончательный вердикт выносит природа — именно она решает, какие идеи остаются, а какие уходят. Нам нужно прямое, неопровержимое экспериментальное подтверждение, чтобы продолжать историю с тёмной материей. Именно для этого мы и создали такие эксперименты, как CRESST — чтобы охотиться на ВИМПы, получить несколько Нобелевских премий и перейти к другим захватывающим нерешённым загадкам космологии.
По всему миру были проведены десятки экспериментов по прямому обнаружению ВИМПов — частиц тёмной материи в этом конкретном диапазоне масс. И это не однотипные эксперименты. Существуют также сцинтилляторы, в которых используется гигантский чан со сжиженным благородным газом, например, несколько тонн ксенона. Учёные ждут, пока частица тёмной материи столкнётся с атомом ксенона и вызовет сцинтилляцию, что на научном языке означает «вспышку». Мы видим вспышку — мы обнаружили тёмную материю.
ВИМПы — не единственные кандидаты. Это лишь один из примеров более широкого класса частиц тёмной материи с такими причудливыми названиями, как Q-шары (Q-balls), ВИМПзиллы (WIMPzillas) и стерильные нейтрино. Мы настраиваем наши эксперименты на разные диапазоны масс и силы взаимодействия, чтобы охватить как можно большую часть широкого спектра тёмной материи. Мы даже пытались создать различные виды тёмной материи в экспериментах на коллайдерах.
И ничего не нашли.
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.