Некоторые физики пытаются уловить частицы темной материи, пронизывающие нашу планету во всех направлениях, что довольно сложно. Ведь для того чтобы быть «темными», частицы темной материи должны очень слабо взаимодействовать с обычной материей. И все-таки они должны быть пойманы, хотя этому мешает очень шумный фон от естественной радиоактивности и космических лучей. Представьте, что вы стоите на углу шумной улицы и пытаетесь услышать звук булавки, упавшей на землю.
Охотники за темной материей
Некоторые охотники за темной материей спускаются под землю, устанавливая детекторы в шахтах, чтобы таким образом защитить их от космических лучей. Но до сих пор эти детекторы «глубокого залегания» не смогли обнаружить никаких частиц темной материи. Иногда регистрируются намеки на желанное событие, но при ближайшем рассмотрении оказывается, что это лишь мираж.
В то время как одни уходят глубоко под землю, другие устремляются в космическое пространство с целью увидеть высокоэнергетические частицы, которые могут появляться, когда массивные частицы темной материи взаимодействуют и уничтожают друг друга. Специальные телескопы, построенные для обнаружения гамма-излучения, антиматерии и нейтрино, уже поймали сигналы, похожие на сигналы, которые согласно предсказаниям должна рождать аннигиляция частиц темной материи. В 2008 году космическим аппаратом PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics, «Нагрузка по исследованию антиматерии и астрофизики легких ядер») было установлено, что на удивление большая часть космических лучей, путешествующих в космическом пространстве, относится не к обычной материи, а к антиматерии. Это возможный путь к обнаружению аннигиляции темной материи, хотя, скорее всего, эти лучи исходят из хорошо известных источников антиматерии в нашей Галактике, таких как пульсары – быстро вращающиеся нейтронные звезды. Космический гамма-телескоп Ферми (НАСА) зафиксировал яркий источник гамма-лучей из центра нашей Галактики, который также очень похож на сигнал, ожидаемый от аннигиляции частиц темной материи. В данный момент этот результат выглядит более убедительно, чем данные, полученные аппаратом PAMELA, но опять-таки он может быть следствием процессов, происходящих на до сих пор неизвестных астрофизических объектах.
Не выглядит ли все это попыткой поймать черную кошку в темной комнате, тем более что ее может там и не быть, как и темной материи во Вселенной? В 1983 году израильский физик Мордехай Милгром (род. 1946) предположил, что неоправданно высокие скорости движения звезд в галактиках можно объяснить другим способом: если гравитация ведет себя не так, как предсказывали Ньютон или Эйнштейн. Он указал, что наблюдаемое вращение в галактиках может быть объяснено, если второй закон Ньютона – сила равна произведению массы на ускорение или F = ma – модифицируется таким образом, что при очень малых ускорениях сила гравитации становится пропорциональной квадрату ускорения.
Однако в последние годы предположение Милгрома, получившее название MOND (modified Newtonian dynamics), столкнулось с серьезными проблемами. В частности, оно не может убедительно объяснить характер движения галактик внутри скоплений. Наблюдения, проведенные в 2006 году, выявили пару скоплений галактик в процессе слияния, получившую название скопление галактик Пуля. Движение скоплений указывает на то, что их центр притяжения не совпадает с областью, где сосредоточены газ и звезды, как следовало бы из теории MOND. Предположительно, темная материя сместила центр притяжения в другое место; исходя из этого, большинство космологов не считают более теорию MOND жизнеспособной альтернативой существованию темной материи. Скопление галактик Пуля не исключает существование различных модификаций гравитации, и некоторые радикальные альтернативы теории относительности претендуют на объяснение ряда эффектов, которые обычно приписывают темной материи (см. главу 8). Но это вовсе не означает, что все на свете нужно объяснять темной материей.
Чувствительность детекторов темной материи увеличивается в 10 раз примерно за каждые два года, так что первые несомненные доказательства существования частиц темной материи могут появиться в течение ближайших нескольких лет. Вот тогда мы, наконец, сможем пролить свет на свойства темной материи.
Странно знакомые
Придумывание новых частиц для объяснения недостающей массы Вселенной завело нас в никуда. Быть может, темная материя – это хорошо замаскированная обычная материя?
В июле 2015 года неожиданная гостья посетила Большой адронный коллайдер ЦЕРНа. Названная пентакварком, эта необычная частица представляет собой совершенно новый способ собрать воедино основные строительные кирпичики вещества. Это событие прозвучало приятной мелодией для ушей Гленна Старкмана, физика-теоретика из Университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде (штат Огайо, США). Он выдвинул смелую идею: во Вселенной существуют другие разновидности обычной материи, и их вполне достаточно, чтобы сыграть роль неуловимой темной материи.
Чтобы сформировать материю, которая нас окружает, элементарные частицы собираются в определенные стандартные конфигурации. Кварки группируются по трое и образуют составные частицы, известные как барионы, в том числе протоны и нейтроны, входящие в состав атомных ядер. Нам также известны эфемерные комбинации кварка и антикварка, называемые мезонами.
Но кварки – создания изворотливые и из-за особенностей связывающего их сильного ядерного взаимодействия в одиночку по Вселенной не плавают. Когда расстояние между кварками мало, эта связывающая сила слаба. Но как только расстояние возрастает, сила увеличивается, притягивая кварки друг к другу. Сильное взаимодействие зависит и от других причин, и физики настойчиво стараются понять в деталях, как кварки образуют мезоны и барионы.
Странные кварки
Эта неопределенность привела к предположениям, что могут существовать другие формы материи. Еще в начале 1980-х годов физик и математик Эдвард Виттен из Принстонского университета предположил, что легкие кварки могут вступать в необычные комбинации со своими более тяжелыми «двоюродными братьями», такими как странные кварки (рис. 6.4). Эти кварки могут вырастать в большие аморфные пузыри, собирая все больше и больше новых частиц в небольшом объеме. Виттен назвал их «кварковые самородками». Брайан Линн, физик-теоретик из Университетского колледжа Лондона, и его коллеги позднее распространили эту гипотезу для объяснения других структур, таких как «странная барионная материя» и «хиральные жидкие капли»
[4].
Рис. 6.4. В обычном веществе связано 2–3 кварка. Сверхмассивные частицы, состоящие из множества кварков, могли бы претендовать на роль неуловимой темной материи
Такие экзотические сгустки из знакомых нам элементарных частиц будут плотными, как нейтронные звезды – одна чайная ложка вещества, из которого они состоят, весит столько же, сколько приличная по размерам гора. Исследователи назвали их «макросы»; их масса, если они обнаружатся, будет измеряться не теми ничтожно малыми величинами, как у обычных элементарных частиц, а килограммами и тоннами. Макросы не должны вступать в реакции ядерного синтеза и поэтому не должны светиться. Они слишком малы и практически не должны отражать или поглощать какой бы то ни было свет. Можно сказать, что это частицы-невидимки.
