Не хотим показаться депрессивными, но мы живем в темной Вселенной. Несмотря на блеск ночного неба, миллиарды и миллиарды звезд и галактик составляют лишь малую часть материи в космосе. А вот неизвестная субстанция, называемая темной материей, в пять раз более распространена, чем привычная материя атомов.
И, несмотря на десятилетия усилий, прямых доказательств существования темной материи так и не было найдено, что заставило ученых глубоко задуматься о том, чем же может быть эта темная материя. Теперь, используя мощный ускоритель частиц, исследователи из Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) попытались создать очень легкую форму темной материи и недавно опубликовали свои результаты.
Содержание
Не слабая Вселенная
В течение многих лет исследователи представляли себе темную материю как стабильную, электрически нейтральную субатомную частицу с массой в сотни и даже тысячи раз тяжелее протона. Такие частицы темной материи очень слабо взаимодействуют с обычным веществом, возможно, испытывая только силу гравитации. Такую гипотетическую частицу называют WIMP (Weakly Interacting Massive Particle / Слабо взаимодействующая массивная частица). За те же десятилетия было предпринято множество попыток подтвердить или опровергнуть эту модель, но ни одной WIMP так и не было найдено.
Неудача с поиском ВИМПов заставила некоторых ученый задуматься о других альтернативах. Что если темная материя намного легче, скажем, в миллиарды раз? Хотя такая гипотеза кажется невероятной, исследователи, занимающиеся другой квантовой загадкой, разработали теорию, которая предсказывает возможную частицу темной материи. Этот кандидат в темную материю называется аксионом.
Об антиматерии и аксионах
Антиматерия является противоположностью обычной материи, и эти два явления очень плохо сосуществуют. Если соединить антивещество с соответствующей формой материи, то они аннигилируют, то есть, взаимоуничтожатся. Наблюдались эквиваленты антиматерии всех известных субатомных частиц, например, версии антивещественных протонов, нейтронов и электронов. Ученым даже удалось создать несколько атомов антивещества.
Сильное ядерное взаимодействие – это сила, удерживающая атомные ядра вместе. Теория, описывающая ее поведение, утверждает, что сильное взаимодействие может по-разному относиться к материи и антиматерии, однако точные измерения не показывают никакой разницы. Насколько удалось выяснить, сильное взаимодействие относится к материи и антиматерии одинаково.
Существует принцип, называемый тоталитарным принципом, который гласит: “Все, что не запрещено, обязательно”. Этот афоризм, изначально созданный в политической среде, был принят физическим сообществом. По сути, он означает, что все, что может произойти, произойдет. Если этого не происходит, значит, существует некое физическое явление, которое запрещает возможное поведение. Так что же мешает силе противодействия по-разному взаимодействовать с веществом и антивеществом?
Пока ответ на этот вопрос не найден, но в 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Куинн предложили теорию, которая в точности уравновешивает способность силы взаимодействия допускать различия между материей и антиматерией. Одним из следствий этой теории стало предсказание существования частицы, названной аксионом. Аксион имеет очень малую массу, электрически нейтрален и был создан в огромных количествах в первые мгновения Большого взрыва. Таким образом, аксион является кандидатом на роль частицы темной материи.
В поисках аксионов
Поскольку аксион до сих пор не обнаружен – более того, возможно, он вообще не существует – его масса неизвестна. Однако многие расчеты показывают, что его масса должна быть очень мала, в районе одной миллиардной массы электрона. Исследователи искали аксионы с очень малой массой с помощью различных хитроумных методик, но так ничего и не нашли.
Учитывая неудачу с поиском аксионов малой массы, исследователи предложили другую гипотезу. Предположим, что аксион имеет большую массу, чем ожидалось, скажем, в несколько сотен – пару тысяч раз больше массы электрона. Поскольку попыток поиска такого аксиона не предпринималось, исследователи из Фермилаба использовали для его поиска прибор, названный детектором ArgoNeuT.
Для изучения нейтринных взаимодействий в детекторе ArgoNeuT используется четверть тонны жидкого аргона, помещенного в пучок нейтрино. Если эти более тяжелые аксионы существуют, то они могут распадаться в детекторе ArgoNeuT на пару мюонных частиц. Мюоны – это, по сути, тяжелые электроны, и их очень легко наблюдать. Исследователи использовали ускоритель Фермилаб, чтобы разбить в мишени 125 миллиардов миллиардов (1,25 × 1020) протонов высокой энергии, что позволило получить огромное количество нейтрино для изучения.
Исследователи рассчитали, что если бы аксионы не существовали, то наблюдалось бы менее одного случая создания двух мюонов с соответствующими свойствами. При проведении эксперимента не наблюдалось ни одного случая образования двух мюонов с необходимыми свойствами. Тот факт, что измерения совпали с предсказанием отсутствия аксионов, означает, что в детекторе ArgoNeuT аксионы не наблюдались. Это позволило исключить возможность производства тяжелых аксионов, распадающихся на два мюона.
Когда неудача означает успех
Неудача в наблюдении явления никогда не бывает столь же захватывающей, как его наблюдение, однако эксперимент все равно оказался успешным. Учитывая, что исследователи считают, что темная материя существует и что очень легкая темная материя может объяснить наблюдения астрономов, важно изучить все возможности. В конце концов, исключение теорий о темной материи – это прогресс. Если вы потеряли ключи от машины, то каждая комната, которую вы осматриваете и исключаете, приближает вас к нахождению комнаты, в которой вы их оставили.
Читайте также: Реальна ли темная материя? Многолетняя загадка астрономии