Темная материя у вас в гостиной
Если Вселенная заполнена темной материей, то она существует не только в холодном космическом вакууме. В сущности, темную материю можно также обнаружить и у вас в гостиной. Сегодня несколько исследовательских групп соревнуются за первенство в поимке частицы темной материи в лаборатории. Ставки высоки: ученые той группы, которой удастся поймать частицу темной материи, проносящуюся сквозь детектор, окажутся первыми, кто открыл новую форму материи за две тысячи лет.
Основная идея этих экспериментов заключается в следующем: необходим большой кусок чистого материала (такого как йодид натрия, оксид алюминия, фреон, германий или кремний), в котором может происходить взаимодействие частиц темной материи. Время от времени частица темной материи может сталкиваться с ядром атома, создавая характерную картину распада. Фотографируя следы частиц, участвующих в этом распаде, ученые смогут подтвердить присутствие темной материи.
Экспериментаторы полны сдержанного оптимизма, поскольку находящееся в их распоряжении чувствительное оборудование предоставляет им наилучшую возможность для наблюдения темной материи. Наша Солнечная система вращается по орбите вокруг черной дыры в центре галактики Млечный Путь со скоростью 220 км/с. В результате этого наша планета проходит сквозь значительное количество темной материи. Согласно расчетам физиков, миллиард частиц темной материи в секунду пролетает сквозь каждый квадратный метр нашего мира, в том числе сквозь наши тела
{184}
[45].
Хотя мы живем в ветре темной материи, дующем сквозь нашу Солнечную систему, лабораторные эксперименты по обнаружению темной материи чрезвычайно сложны из-за того, что частицы темной материи вступают в слишком слабое взаимодействие с обычным веществом. Так, ученые ожидают за год обнаружить от 0,01 до 10 событий, происходящих в килограмме материала, наблюдающегося в лаборатории
[46]. Иными словами, пришлось бы многие годы внимательно наблюдать за большими количествами материала, чтобы увидеть события, имеющие отношение к темной материи.
До сих пор в ходе таких экспериментов, как UKDMC в Великобритании, ROSEBUD в Канфранке (Испания), SIMPLE в Рустреле (Франция) и Edelweiss в городе Фрежус (Франция), подобных событий обнаружено не было
{185}. Эксперимент под названием DAMA (от dark matter – темная материя), проводившийся неподалеку от Рима, вызвал шумиху в 1999 году, когда ученые заявили, что наблюдали частицы темной материи. Поскольку в детекторе DAMA используется 100 кг йодида натрия, он является самым большим в мире. Однако попытки воспроизвести тот же результат при помощи других детекторов не увенчались успехом – не было обнаружено ничего; и это бросило тень сомнения на данные, полученные в ходе эксперимента DAMA.
Физик Дэвид Б. Клайн замечает: «Если детекторы уловят и подтвердят сигнал, то это станет одним из крупнейших достижений XXI столетия… Вскоре может разрешиться величайшая загадка современной астрофизики»
{186}.
Если надежды физиков оправдаются и темная материя вскоре будет обнаружена, она может представить доказательство в пользу суперсимметрии (а вероятно, с течением времени и в пользу теории суперструн) без использования ускорителей частиц.
SUSY – суперсимметричная темная материя
Беглый взгляд на частицы, существование которых предсказывает суперсимметрия, показывает, что есть несколько потенциальных претендентов на объяснение тайны темной материи. Одним из них является нейтралино – семейство частиц, куда входит суперпартнер фотона. С теоретической точки зрения нейтралино, кажется, соответствует имеющимся данным. Нейтралино не только имеет нейтральный заряд, а потому невидимо, оно также массивно (а потому на него воздействует только гравитация), но, кроме того, оно стабильно. (Такая ситуация складывается потому, что нейтралино обладает наименьшей массой из всех частиц семейства, к которому оно принадлежит, а потому оно не может распадаться на какие-либо более легкие частицы). И наконец, последним и, вероятно, важнейшим моментом является то, что во Вселенной должно быть полно нейтралино, что делает их идеальными претендентами на роль темной материи.
У нейтралино есть одно веское преимущество: они, возможно, способны разрешить загадку, почему темная материя составляет 23 %
[47] вещественно-энергетического содержимого Вселенной, в то время как водород и гелий отвечают лишь за какие-то жалкие 4 %.
Вспомним о том, что, когда Вселенной было 380 000 лет, температура продолжала снижаться до тех пор, пока атомы уже не разрывало на части при столкновениях, вызванных невероятным жаром Большого взрыва. В то время изначальный огненный шар начал остывать, конденсироваться и образовывать устойчивые целые атомы. Общее количество атомов восходит приблизительно к тому временному отрезку. Вывод таков: относительное содержание вещества во Вселенной складывалось в то время, когда Вселенная достаточно остыла, чтобы это вещество могло стать стабильным.
Этот же самый аргумент можно использовать при подсчете относительного содержания нейтралино. Сразу после Большого взрыва температура была настолько высока, что даже нейтралино уничтожались при столкновениях. Однако некоторое время спустя температура снизилась достаточно, чтобы стало возможным образование нейтралино без их последующего уничтожения. Относительное содержание нейтралино во Вселенной надо искать именно в той ранней эпохе. Осуществляя это вычисление, мы обнаруживаем, что относительное содержание нейтралино намного выше содержания атомов и, в сущности, приблизительно соответствует процентному содержанию темной материи в настоящее время. Таким образом, суперсимметричные частицы могут объяснить, почему настолько высоко относительное содержание темной материи во Вселенной.
Слоановский обзор неба
Хотя многие из достижений XXI столетия будут заключаться в усовершенствовании оборудования, такого как спутники, это вовсе не означает, что прекратятся работы с оптическими телескопами и радиотелескопами, базирующимися на Земле. В сущности, благодаря цифровому перевороту произошли изменения в использовании оптических телескопов и радиотелескопов; стал возможен статистический анализ сотен тысяч галактик. Сегодня благодаря этой новой технологии телескопы переживают второе рождение.
