Минуло тридцать лет. Темная материя все еще не отловлена. Диапазон параметров, где имеет место WIMP-чудо, был между тем исключен
[102].
Просто сидеть и надеяться
Но наука требует терпения, напоминаю я себе, и лезу в интернет в поисках свежего оптимизма и энергии. «Твиттер» подсказывает мне Кэтрин (Кэти) Мэк, больше известную как Астрокэти.
Астрокэти недавно стала в «Твиттере» знаменитостью, когда один ее остроумный ответ опубликовала у себя Джоан Роулинг. Я просматриваю ленту Кэти. Селфи с котом, фото с Брайаном Коксом, запись телевизионного интервью с ней и много-много ответов на вопросы по астрофизике. Когда вам необходимо обоснованное мнение о воде на Марсе или об актуальных проектах по поиску темной материи, вы можете рассчитывать на Астрокэти. Когда вы жаждете фактов о гравитационных волнах или об открытых за прошедшую неделю экзопланетах, стоит спросить Астрокэти. А когда вы ищете кого-нибудь, кто сможет открыто выступить на темы сексизма и домогательства в науке, Астрокэти и тут к вашим услугам: она привлекает внимание своей аудитории в «Твиттере» к малому числу представителей меньшинств и женщин в науке, о чем многие ученые предпочли бы забыть.
«Вот продвинутый ученый», – думаю я. И отправляю Кэти сообщение.
За публичным образом Кэти стоит профессиональный астрофизик и научный сотрудник с ученой степенью в Мельбурнском университете (Австралия). Когда мы разговариваем по «Скайпу», на Кэти куртка с логотипом НАСА, и я никогда не видела ничего круче. Я спрашиваю Кэти о ее области исследований и получаю емкий ответ: «Я работала над многими вещами, которыми темная материя, по всей видимости, не является».
«В чем привлекательность этой модели?» – задаю я следующий вопрос.
«В моей области модель интересна, если у нее есть следствия, которые мы можем обнаружить, – говорит Кэти. – Я подхожу к теориям с очень практической точки зрения. Мне интересны по-настоящему впечатляющие новые модели, но только если у них есть следствия, которые можно проверить».
«Работая над диссертацией, я занималась аксионами. Аксионы всегда были моей любимой моделью темной материи, поскольку они играют такую важную роль в стольких вещах. Они возникают из сильного ядерного взаимодействия и затем вписываются в космологию, а также в теорию струн. С точки зрения теории, думаю, аксионы – самые перспективные кандидаты на роль темной материи, потому что вам не приходится доставать их из ниоткуда, они возникают отовсюду, а это, мне кажется, лучше всего».
* * *
Аксионы – следующие по популярности после вимпов кандидаты на роль темной материи. Исходные аксионы, придуманные для решения проблемы с тонкой настройкой сильного взаимодействия (сильной CP-проблемы), были сброшены со счетов почти так же быстро, как предложены. Потом теорию подкорректировали так, чтобы аксион мог взаимодействовать только очень слабо. Иногда так прямо и называемую «невидимым аксионом», новую частицу трудно детектировать, и она служит неплохим кандидатом на роль темной материи.
Невидимые аксионы, если существуют, образовывались бы в ранней Вселенной. Они могут возникнуть в состояниях с крайне низкой энергией, а затем сформировать стабильный конденсат, пронизывающий Вселенную. Это могла бы быть темная материя, признаки присутствия которой мы наблюдаем. Но за аксионами не числится никакого чуда, и если вы хотите довести их плотность до плотности темной материи, то вам придется осуществить тонкую настройку их зарождения в ранней Вселенной
[103]. Что делает их менее привлекательными, чем вимпы. Но специалисты по физике элементарных частиц все равно симпатизируют аксионам, потому что те придают красивый вид сильному ядерному взаимодействию.
Многие из упомянутых выше экспериментов по поимке вимпов чувствительны также и к аксионам и дали интересные ограничения. Но, в отличие от вимпов, аксионы взаимодействуют с электромагнитными полями, пусть и слабо, и поэтому их можно детектировать, создав мощные магнитные поля, которые превратят небольшую долю приходящих аксионов в фотоны. Этим методом аксионы темной материи ищутся в эксперименте ADMX (Axion Dark Matter Experiment) с 1996 года. В эксперименте ЦЕРН CAST (CERN Axion Solar Telescope), запущенном в 2003 году, идет поиск аксионов, родившихся в Солнце, на энергиях, сильно превышающих энергию аксионов темной материи. В других экспериментах, например ALPS-I и ALPS-II, PVLAS и OSQUAR, пытаются наблюдать обратный процесс – как фотоны превращаются в аксионы, – тщательно изучая поведение света в магнитных полях. Пока ни в одном из этих экспериментов ничего не обнаружили.
* * *
К сожалению, в своей диссертационной работе я не сумела найти хороших способов сделать так, чтобы аксионы работали без какой-либо тонкой настройки в одном или другом месте, – говорит Кэти. – Это было не очень весело. Ведь проблема, которую решает аксион, сильная CP-проблема, – это проблема тонкой настройки. Так что если вы порождаете новую проблему тонкой настройки, то просто рядите исходную в новые одежды».
«А что не так с тонкой настройкой?» – спрашиваю я.
«Вообще тонкая настройка сигнализирует о том, что в наших теориях есть что-то неестественное. Если в них присутствует крайне маленькое число, вы вынуждены заключить, что вам очень сильно повезло. Привлекательного в этом мало. Просто кажется, что должно быть какое-то другое объяснение. В иных случаях, когда имелась тонкая настройка, всегда находилось объяснение и в итоге оказывалось, что то была не тонкая настройка».
«Вы сказали “очень сильно повезло”. Но как же можно делать утверждения о вероятности, не имея распределения вероятностей?» – удивляюсь я.
«Что ж, вы правы. Это лишь эстетическое чувство теоретиков, – отвечает Кэти. – Если в теории присутствует маленькое число, им это не нравится. Гораздо приятнее иметь число, близкое к 1. Я не знаю ни одной важной причины, по которой все должно быть именно так – все наши константы должны быть порядка 1. Мы просто так подходим к своим теориям. Это не вполне бритва Оккама, ведь упрощения не происходит, но ощущение такое есть».
«Люди так делают, но следует ли им так делать?» – вопрошаю я.
