Физики усомнились в самом сердце тьмы
Физика уже заждалась своей давно запланированной встречи с будущим — опять и снова, снова и опять кое-кто опаздывает. Самые последние, самые чувствительные поиски частиц, из которых, как мы думаем, могла бы состоять темная материя — невидимая субстанция, на которую приходится 85% массы в космосе — ни к чему не привели. Вимпы (WIMP, слабо взаимодействующие массивные частицы), эти крошечные субатомные частицы, прячутся лучше, чем думали физики, когда более 30 лет назад предсказывали их существование. Либо их не существует, что будет означать наше глубокое непонимание Вселенной. Многие ученые до сих пор питают надежду, что обновленные версии экспериментов по поиску вимпов их, наконец, найдут. Другие же усомнились в самом сердце тьмы и начинают подумывать о том, что пора выбросить на свалку истории наши представления о темной материи.
Чем бы темная материя ни была, она не учитывается в Стандартной модели физики элементарных частиц, тщательно проверенной теории «почти всего», выкованной в 1970-е годы. Она объясняет все известные частицы и все известные силы, кроме гравитации. Найти суть темной материи и подсветить путь к более глубокому пониманию Вселенной — вот на что надеются физики. Ну или надеялись.
Вимпы должны были иметь гравитационную силу, которая указала бы на массу от одной до тысяч масс протона. Их единственной оставшейся связью с известным нам миром были бы слабые ядерные силы, которые сильнее гравитации, но активны только на крошечных расстояниях в масштабах атомных ядер. Если они существуют, вимпы должны окружать нас как невидимый туман, а их шансы на взаимодействие с обычным веществом настолько малы, что такая частица могла бы пройти сквозь свинец толщиной в световой год и не поморщиться.
Тем не менее экспериментаторы провели десятилетия, разрабатывая и эксплуатируя детекторы вимпов. Их было достаточно много. CDEX, CDMS, CoGeNT, COUPP и CRESST — это всего лишь самые известные примеры на букву C. Деликатная работа по поиску любых слабых, редких и мимолетных взаимодействий вимпов с атомами требует изоляции и одиночества, поэтому большинство детекторов оккупировали пещеры, заброшенные шахты и другие подземные пространства.
Среди последних нулевых результатов поисков вимпов — неудача эксперимента Large Underground Xenon (LUX). В его основе треть тонны жидкого ксенона, которая хранится при температуре в -100 градусов по Цельсию внутри гигантского заполненного водой резервуара, погребенного под полутора километрами почвы в Блэк-Хиллс в Южной Дакоте. Там, вдали от большинства источников шума, ученые потратили больше года времени в поисках вспышек, исходящих от ядер ксенона, в которые попадают вимпы. 21 июля они объявили, что не увидели ни одной.
Следующее разочарование поступило 5 августа от самого мощного ускорителя частиц из всех когда-либо созданных: от Большого адронного коллайдера (БАК) в Женеве, Швейцария. В 2012 году, после обнаружения бозона Хиггса — долгожданной последней частицы Стандартной модели, которая наделяет другие массой — многие теоретики считали, что следующим громким результатом от БАК будет открытие того, как Хиггс (или другие гипотетические частицы, похожие на него) помогает рождаться вимпам и наполнять космос. С весны 2015 года БАК гонится за этими открытиями, сталкивая протоны вместе на беспрецедентно высоких энергиях по миллиарду в секунду. Поначалу две независимых команды экспериментаторов обнаружили аномалию в субатомных обломках, избыток энергии от протонных столкновений, который мог бы указать в направлении новой физики (возможно, рожденной вимпами или еще какими экзотическими возможностями). Но вместо этого, когда БАК разбил больше протонов и собрал больше данных, аномалия просто испарилась, оказавшись всего лишь статистической случайностью.
Взятые вместе, эти два нулевых результата — как обоюдоострый меч для темной материи, для самого сердца тьмы. С одной стороны, новые ограничения вероятной массы темной материи и взаимодействий вимпов закладывают основу для детекторов нового поколения, которые тоже смогут попытать счастья. С другой стороны, они исключают самые простые и удобные модели вимпов, поднимая свежие опасения на тему того, что давно искомые частицы могут быть в пределах многолетних поисков.
Эдвард Колб, космолог из Чикагского университета, в 1970-х годах помогал заложить основы для грядущего поколения охотников за вимпами. Он объявил 2010-е годы «десятилетием вимпа», но теперь признает, что поиск пошел не как было запланировано. «Сегодня мы в еще большей темноте насчет темной материи, чем были пять лет назад», говорит он. Большинство теоретиков отреагировали на отсутствие результатов созданием еще большего числа экзотических теорий, которые могли бы объяснить, собственно, почему вимпы избегают наших детекторов.
Существует, конечно, и другая возможность — вимпы просто не являются решением темной материи, которое мы должны искать. «Вимпы возникли как простое, элегантное, убедительное объяснение сложного явления», говорит Колб.
«У каждого сложного явления есть простое, элегантное, убедительное объяснение, которое просто неправильное».
В поисках чуда
Охотники за вимпами сходятся во мнении, что они просто искали недостаточно хорошо, говорит представитель LUX Ричард Гейтскелл. Из-за неопределенности в отношении точной массы и силы взаимодействия этих неуловимых частиц, область поиска вимпов охватывает восемь порядков величины. Если вимпы очень массивны, в пространстве вашего кулака может быть один-два вимпа в любой конкретный момент времени; если они слишком легкие, миллиарды проходят через вас ежесекундно. Создание детектора, которые охватил бы этот обширный диапазон, подобно созданию сети для ловли рыб, некоторые из которых будут размером с эритроцит, а другие — с город.
Гейтскелл и другие охотники за вимпами делают ставки, что детекторы побольше будут давать результаты получше, и имеют планы на новое поколение экспериментов с существенно большими размерами и светочувствительности. «Я начал искать 28 лет назад, используя 10-граммовый детектор», говорит Гейтскелл. «Сегодня мы используем детектор с третью тонны жидкого ксенона. В следующие 10-15 лет он вырастет до 100 тонн».
При отсутствии фактических эмпирических свидетельств вимпов, долгие годы их поисков держался один очень убедительный теоретический аргумент их существования. Физики называют его «чудом вимпа». Это чудо держится на двух спекулятивных ногах.
Первая нога тянется назад к первым моментам космического времени. Непосредственная экстраполяция Стандартной модели до этой первозданной эпохи предполагает, что вимпы должны были рождаться в огромных количества в плотной горячей плазме, которая заполнила Вселенную сразу же после Большого Взрыва. Большинство этих випов должны были столкнуться друг с другом и аннигилировать, породив обычные частицы. Этот процесс постепенно ослабевал бы по мере расширения и остывания Вселенной, оставив после себя «реликтовую» популяцию холодных и медленных вимпов. Добавьте известную силу слабого взаимодействия, которая опосредует этот процесс, и вы сможете рассчитать, сколько реликтовых вимпов должно существовать сегодня. Ответ: примерно в пять раз больше, чем обычной материи. Это прекрасно соотносится с изобилием наблюдаемой темной материи.
Вторая нога чуда связывает вимпы с современной массой бозона Хиггса. БАК измерил бозон Хиггса и показал, что он в 130 раз тяжелее протона, а значит Хиггс является одной из самых массивных из известных частиц. Но принципы квантовой механики предполагают, что масса бозона Хиггса должна быть неустойчивой и при взаимодействии с известными частицами будет расти в триллионы раз, а то и больше. Если только ее нестабильный рост каким-то образом не отменяется или не уравновешивается новой, пока не обнаруженной массивной фундаментальной частицей. Такие частицы являются сигнатурным предсказанием суперсимметрии, популярного расширения Стандартной модели, которое заполняет теоретические пробелы, снабжая каждую частицу «суперпартнером». Многие теории суперсимметрии предсказывают, что самый легкий суперпартнер должен быть стабильной, нейтральной, слабо взаимодействующей частицей — как вимп. Эту неуловимую частицу искал БАК — и не нашел — в ходе последних месяцев работы.
«Любопытно, как эти две совершенно отдельные линии доказательства сливаются и говорят, что эти частицы могут существовать, точнейшим образом определяя количество темной материи», говорит Нил Вайнер, теоретик темной материи в Нью-Йоркском университете. «Это чудо вимпа».
За последние годы, однако, теоретики заговорили о том, что вимпы не так чудесны, какими казались. В 2008 году Джонатан Фэн и Джейсон Кумар из Калифорнийского университета в Ирвине показали, что суперсимметрия также могла бы производить гипотетический класс частиц, которые будут намного легче и будут взаимодействовать слабее, чем вимпы. «Эти частицы приводят к тем же количества темной материи, что мы наблюдаем сегодня, но не являются вимпам», говорит Фэн. «Это разбивает наши предположения, потому что теоретически все так же хорошо мотивировано. Мы называем это безвимповым чудом».
Увядающие теоретические обоснования простых моделей вимпов и растущий список неудач детекторов привели Фэна и многих других к мыслям о том, что вимпы являются частью гораздо более сложной картины: совершенно новой скрытой области Вселенной, наполненной множеством разновидностей темных частиц, взаимодействующих между собой с помощью набора темных сил, обмениваясь темными зарядами через всплески темного света. Поскольку они предлагают теоретикам намного больше переменных, с которыми можно экспериментировать, такие модели «темного сектора» могут быть согласованы и вписаны в узкую смирительную рубашку фактов, которые выливаются из последних результатов поисков темной материи.
Недостатком является то, что эта расползающаяся гибкость усложняет окончательную проверку. «С темным сектором вы можете изобретать что угодно, — говорит Дэвид Шпергель, астрофизик Принстонского университета. — Теперь, когда мы потеряли путеводную нить чуда вимпа, пространство доступных моделей огромно. Это площадка, на которой мы просто не знаем куда идти; нам нужно больше намеков от природы, куда двигаться дальше».
Возможно, мы только оцарапали поверхность всего разнообразия частиц и сил в природе, сосредоточив внимание только на кварках, фотонах и тому подобном, потому что они хорошо знакомы и доступны для нас. В таком случае мы похожи на «пьяного, который ищет потерянные ключи только под фонарями, потому что там светло», говорит Вайнер. «Есть сценарии, которые мы просто не можем проверить с помощью наших современных технологий. С другой стороны, если вы творческая личность, вы сможете создать новые фонарные столбы».
Темные лошадки
Из всех других фонарей, что известны в настоящее время, очень немногие удовлетворяют теоретиков. Как и вимпы, некоторые альтернативные кандидаты в темную материю также имеют убедительные теоретические основы. Их относительная неизвестность, говорят некоторые, отчасти обусловлена тем фактом, что они не так богаты феноменологически, как гипотеза вимпов, предлагают меньше интересных сигналов и вопросов для экспериментаторов и теоретиков.
В прошлом году группа ученых получила Нобелевскую премию за открытие того, что призрачные, слабо взаимодействующие частицы нейтрино бывают трех «ароматов» и обладают массой. Три сорта нейтрино недостаточно массивны, чтобы объяснить темную материю, но в силу наличия массы они также открывают возможность существования четвертого массивного, так называемого «стерильного нейтрино».
«Почти все механизмы генерации массы нейтрино требуют существования стерильных нейтрино, и было бы очень легко объяснить некоторыми из этих стерильных нейтрино, собственно, темную материю», говорит Кеворк Абазаджян, теоретик Калифорнийского университета в Ирвине. Но никто никогда не находил стерильных нейтрино, даже самые чувствительные попытки, которые предпринимала нейтринная обсерватория IceCube в Антарктике. О своей безуспешности она сообщила в конце августа.
Другая многолетняя темная лошадка среди кандидатов в темную материю — это аксион, гипотетическая слабо взаимодействующая частица, предложенная в 1977 году, чтобы объяснить и разрешить загадочные асимметрии в квантовых взаимодействиях. Чтобы аксионы объяснили темную материю, они должны были бы занять относительно узкий диапазон масс и быть намного легче вимпов, а значит обнаружить их было бы еще труднее. «Если мы не нашли вимпы, теоретики просто сделают ставку на аксионы», говорит Питер Грэм, физик Стэнфордского университета, изучающий аксионы и другие теоретические варианты темной материи.
Помимо вимпов и темных секторов, стерильных нейтрино и аксионов, имеются и еще более экзотические возможности проявления темной материи, хотя они и собрались где-то на обочине физики.
Черные дыры, которые могли быть созданы вскоре после Большого Взрыва, могли бы объяснить скрытую массу Вселенной, но тогда им пришлось бы существовать в таком изобилии, что мы, вероятно, уже открыли бы их с помощью других средств. Тем не менее наши поиски этих «первичных» черных дыр еще не проводились достаточно тщательно, чтобы полностью списать их со счета. В качестве альтернативы темная материя может быть гиперпространственным отпечатком частиц, которые проходят через скрытое соседнее измерение — только вот никаких убедительных доказательств дополнительных измерений не возникало на БАКе или на другом ускорителе.
Самый мерзкий, отвратительный, раздражающий вариант заключается в том, что темная материя может быть по большей части иллюзией, которая тычет своим уродливым пальцем в наше понимание гравитации, завещенное Эйнштейном в своей общей теории относительности. Различные теории «модифицированной гравитации», которые предполагают, что эта сила ослабевает при определенных обстоятельствах, могли бы объяснить некоторые наблюдения темной материи, особенно динамику галактик, но не могут включить влияние темной материи на галактические скопления (которое видят астрономы) и послесвечение Большого Взрыва.
Однако физики терпеть не могут модифицированную гравитацию, по большей части из-за социологии ученых, а не самого научного процесса. Она просто выглядит не очень красиво в глазах физиков элементарных частиц, говорит Сабина Хоссенфельдер, теоретик из Франкфуртского института в Германии. «Изобретение новых частиц — это хлеб физиков, они делают это всю жизнь; очевидно, они предпочтут такой вариант».
Независимо от того, каким может быть предпочтительный кандидат, самое большое опасение физиков, сталкивающихся с темной материей, не в том, что эта концепция окажется нерабочей или ошибочной — наблюдаемые свидетельства существования темной материи никуда не деть. Нет, они обеспокоены тем, что идентичность темной материи может просто не иметь отношения к другим великим тайнам физики, а значит не предложит новых путей к пониманию истинной природы реальности.
«Хочется, чтобы темная материя не только существовала, но и решила другие нерешенные проблемы Стандартной модели, — говорит Джесси Талер, физик Массачусетского технологического института. — Не каждое новое открытие может быть откровением, как Хиггс, после которого теории вдруг гораздо лучше складываются вместе. Иногда новые частицы могут заставить вас выдать: «Я этого не заказывал, чей это заказ?». Мы живем в мире, в котором каждое открытие приводит к более глубоким и более фундаментальным открытиям, или же живем в мире, в котором одни части имеют рифму и смысл, а другие нет? Темная материя предлагает одно из двух».