И как вы собираетесь охотиться за темными фотонами?
Согласно теории темные фотоны смешиваются с обычными фотонами в процессе, который называется кинетическим смешиванием. Это означает, что темный фотон может превратиться в обычный, и наоборот. Но, скорее всего, это происходит очень-очень редко. Итак, в принципе, если вы проводите эксперимент, в котором выделяется много высокоэнергетических фотонов, вы также получите некоторое незначительное количество темных фотонов.
Как можно выделить темные фотоны?
Темные фотоны не могут быть безмассовыми, как обычные. Если бы они были безмассовыми, это противоречило бы нашему пониманию того, как ведет себя темная материя. Фактически они могут иметь массы в широком диапазоне. Это означает, что хотя мы и не можем непосредственно увидеть темные фотоны, мы можем охотиться за ними так же, как и за всеми частицами, которые имеют массу.
Вы уже работаете над этим?
Да, в нашем эксперименте «Поиск тяжелых фотонов» в лаборатории Джефферсона (Thomas Jefferson National Accelerator Facility) мы используем пучок электронов с высокой энергией, облучая им вольфрамовую фольгу. Когда электроны внезапно сталкиваются с препятствием, мы получаем тормозное излучение. Тормозное излучение – это в основном поток фотонов, и, если темные фотоны существуют, они также будут присутствовать в этом излучении, но в гораздо меньшем количестве. Что случится потом, зависит от того, являются ли темные фотоны самыми легкими частицами «темного сектора». Наш эксперимент предполагает, что это так и есть, а это означает, что они должны распадаться в результате кинетического смешивания с образованием частиц обычной материи, таких как электрон-позитронные пары. А их мы можем обнаружить.
А если темные фотоны тяжелее, чем вы думаете?
Мы предполагаем, что основная часть темной материи состоит из ее самых легких частиц. Если же темный фотон не является самой легкой частицей «темного сектора», то вместо того, чтобы распадаться с образованием обычного вещества, он с таким же успехом останется после распада в царстве темной материи. Это значит, что мы не увидим его в наших экспериментах, но это приведет к некоторым интересным возможностям. Если я проведу эксперимент с толстой вольфрамовой мишенью и создам пучок темных фотонов, которые будут двигаться достаточно быстро, а они распадутся с образованием частиц темной материи, это будет означать, что я создал пучок частиц темной материи. Мы потеряем способность обнаруживать темные фотоны, но приобретем способность обнаруживать саму темную материю. Беспроигрышный вариант.
Расскажите нам еще немного о пучке темной материи.
Самое замечательное в этом то, что такой пучок будет давать частицы темной материи с высокой энергией. Эксперименты по непосредственному обнаружению темной материи, такие как LUX и CDMS, призваны открыть темную материю, бороздящую нашу Галактику на относительно низких скоростях. Когда частицы темной материи ударяются о детектор, они добавляют очень маленькое количество энергии, которое нам очень трудно зафиксировать. Вот почему нам приходится помещать наши детекторы в глубокие шахты – окружающая почва надежно экранирует их от помех. Но если бы у меня был высокоэнергетический пучок темной материи, я мог бы его направить на стандартный детектор элементарных частиц.
Что будет означать для человечества реальное обнаружение темной материи?
Это будет сродни астрономической революции Коперника – еще одно подтверждение того, что мы не в центре Вселенной, и то, что мы принимаем за всю Вселенную, всего-навсего ее маленький ломтик. Одно дело – понимать это умом, как сейчас, и совсем другое – встретиться с этим открытием лицом к лицу.
Глава 7
Темная энергия
В нашем космосе доминирует загадочная сила, называемая темной энергией. Подозрения о ее существовании впервые появились в результате решения уравнений Эйнштейна, за семь десятилетий до ее реального обнаружения
[5]. Темная энергия и темная материя довершают картину Вселенной, созданную Эйнштейном.
Темная энергия: по-прежнему величайшая космическая тайна
Она включает в себя две трети космоса, но до сих пор заставляет нас теряться в догадках. Что такое темная энергия: новое поле, новая сила или глубина нашего собственного невежества?
Пару десятков лет назад мы заметили, что некая таинственная субстанция расталкивает Вселенную в разные стороны. Эта субстанция действует повсюду, но мы ее не видим. Несмотря на то что она заполняет Вселенную больше, чем на две трети, у нас нет ни малейшего представления о том, что это такое, откуда она взялась и из чего сделана. По крайней мере, у нас есть имя для этого самого загадочного из всех «монстров»: темная энергия. В последнее время охота на эту субстанцию набирает скорость. На основе новых обзоров неба проводятся поиски ее возможных следов среди взрывающихся звезд и древних скоплений галактик. Вскоре к поискам присоединятся космические аппараты и гигантские наземные телескопы, в то время как некоторые физики пытаются уловить признаки темной энергии в лабораториях.
В настоящее время мы знаем, что темная энергия обладает тремя свойствами:
1. Она отталкивает. Неожиданная тусклость некоторых взрывов сверхновых, замеченных в 1998 году, подсказала нам, что они гораздо дальше от нас, чем мы предполагали. Кажется, что в некотором месте пространство начинает расширяться быстрее, как будто на него влияет какая-то сила отталкивания, действующая против притягивающей силы гравитирующей материи.
2. Ее очень много. Движение галактик и их скопления говорят нам о том, как много вещества находится во Вселенной, в то время как излучение космического микроволнового фона дает нам возможность оценить полную плотность материи и энергии. Второе из этих значений значительно превышает первое. Из этой оценки следует, что примерно 68 % всей Вселенной находится в некоторой нематериальной, энергетической и «расталкивающей» форме.
3. Темная энергия являет собой прекрасное «горючее» для подпитывания созидательных умов физиков, которые превращают ее в сотни различных фантастических форм.
Почему темная энергия толкается?
Мы привыкли к тому, что гравитация притягивает предметы друг к другу. Поэтому существование космической силы, которая все расталкивает, просто приводит в замешательство. Поведение энергии вакуума также является странным: по мере расширения пространства появляется все больше и больше субстанции, ответственной за все более увеличивающуюся энергию. Можно провести аналогию с пружиной или резиновой лентой, которая натягивается при растяжении и накапливает энергию. Другими словами, энергия вакуума находится под натяжением.
