Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

Чтобы разобраться с этой путаницей были предприняты попытки изучить гамма-излучение, исходящее из объектов другого интересного типа: карликовых галактик. Карликовые галактики — это просто маленькие галактики. Если Млечный Путь содержит несколько сотен миллиардов звезд, то в карликовых галактиках их до нескольких миллиардов. Нам известно более 20 таких карликовых галактик, обращающихся вокруг Млечного Пути. Особенно привлекают охотников за вимпами два качества таких галактик. Во-первых, они достаточно спокойные. По сравнению с центром Млечного Пути, типичная карликовая галактика содержит меньше известных источников гамма-лучей, которые могут сбить с толку. Во-вторых, карликовые галактики содержат большое количество темной материи, это можно вычислить, изучая движение в них звезд. Судя по описанию, лучше места для наблюдения за аннигилирующими вимпами не придумаешь: много темной материи и мало другого гамма-излучения. И ученые наблюдали и наблюдали. Недавно (книга написана весной 2015-го) сообщили о первых открытиях интересных гамма-лучей от карликовых галактик, но пока что наблюдения недостаточно точны, чтобы понять, задействована ли там темная материя.

Мы наблюдали за вимпами разными способами: сначала смотрели, как они сталкиваются в детекторе на Земле, а затем — как они аннигилируют и излучают частицы. Я намекнул, что существуют захватывающие результаты измерений, но в подробности не вдавался. Я так скуп на подробности лишь потому, что в наше время охота на вимпы — это крайне хаотичное поле исследований. Бывает, что наблюдение, о котором физики, собравшись за обедом, сегодня горячо спорят, завтра при анализе данных оказывается глупой ошибкой. А то, что сегодня кажется незначительной деталью, через несколько лет вполне может вывести на след темной материи.

Но тем не менее приятно осознавать, что единственным методом при поиске вимпов не ограничиваются. Если подземный эксперимент заявит об обнаружении вимпов с определенными характеристиками, то эти результаты должны совпадать с наблюдениями за позитронами и гамма-излучением, а еще они не должны противоречить тому, что мы знаем о темной материи в нашей Галактике и в картине реликтового излучения. Всем частям большой и сложной головоломки следует оказаться на своих местах.

До сих пор мы говорили о поиске вимпов, не упоминая основоположника всех экспериментов с частицами — большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе. Бозон Хиггса открыли еще в 2013 году, а Нобелевскую премию давно поделили, но ускоритель частиц БАК по-прежнему заставляет частицы врезаться друг в друга — со все возрастающими скоростями. И на этот раз первое место в листе ожидания занимает частица темной материи.

Но прежде, чем мы увидим, как ищут темную материю в ЦЕРНе, давайте еще раз вернемся к рождению Вселенной. Все рассмотренные нами эксперименты основываются на том, что темная материя состоит из вимпов. Что же делает эти вим- пы столь привлекательными? Что это за «чудо-вимп»? Самое время еще раз вернуться к Большому взрыву.

Вблизи Женевы, глубоко под землей, находится исследовательский центр ЦЕРН. На территории организации располагается самый масштабный и дорогой эксперимент над заряженными частицами — ускоритель заряженных частиц БАК (Большой адронный коллайдер). Ускоритель состоит, в частности, из 27-километрового кольца-туннеля, в котором частицы разгоняются до немыслимых скоростей. БАК часто называют машиной Большого взрыва, и на то есть основания. Когда ускоритель сталкивает частицы друг с другом со скоростью, практически равной скорости света, воссоздаются условия первой миллиардной доли секунды после Большого взрыва.

Сразу после Большого взрыва никаких сооруженных людьми ускорителей частиц, естественно, не было, но тем не менее Вселенная была наполнена все теми же мощными столкновениями, которые сейчас воссоздаются в ЦЕРНе. Почему все это происходило? Да потому что было адски жарко. Ведь как вы, возможно, помните, по мере перематывания времени назад, к Большому взрыву, Вселенная будет становиться все плотнее и раскаленнее. Когда некая субстанция, например газ, обладает высокой температурой, это просто-напросто означает, что частицы в нем быстро двигаются. Спустя миллиардную долю секунды после Большого взрыва частицы во Вселенной перемещались с огромными скоростями. В то же время Вселенная была гораздо более сжата, чем сегодня, и частицы, обитавшие в ней, непрерывно сталкивались. Из-за высоких скоростей эти столкновения были настолько же мощные, что и воссоздаваемые ЦЕРНом. А если посмотреть, что происходило в момент Большого взрыва, то станет очевидно, что температура была еще выше, а столкновения — более ожесточенными. Когда Вселенная была еще совсем молодой, в ней происходили столкновения того же типа, что и в адронном коллайдере, только происходили они буквально повсюду.

(В LHC-ускорителе ЦЕРНа сталкиваются протоны. В ранней Вселенной сталкивались всевозможные частицы. Механизмы те же, но, строго говоря, ускоритель LHC воспроизводит лишь небольшую часть того, что произошло во Вселенной сразу после Большого взрыва.)

Чем ближе мы подходим к Большому взрыву, тем больше появляется мощных столкновений на любой вкус и цвет. И чем яростнее частицы сталкиваются, тем больше энергии они выделяют. А формула Е=mc2 говорит о следующем: чем больше энергии высвобождается, тем более тяжелые частицы можно создать. Ведь точно так же, как частица и античастица способны превратиться в энергию, энергия способна превратиться в частицу и античастицу. Если вимпы темной материи все же существуют, то в период, достаточно близкий к Большому взрыву, повсеместные столкновения, судя по всему, порождали их в неимоверных количествах. Получается, вимпы и множество других видов частиц должны были постоянно возникать и снова исчезать в водовороте первичного бульона Вселенной.

При настолько частых столкновениях этот первичный бульон находился в состоянии, которое называют термодинамическим равновесием. Это означает, что между различными частицами устанавливается определенное количественное соотношение. Однако Вселенная начинает остывать и расширяться. Столкновения становятся все более редкими и менее ожесточенными. А чтобы столкнуть вимпы, которые признают исключительно слабое взаимодействие, нужно еще постараться. И вскоре Вселенная настолько выгорает и охлаждается, что в столкновениях больше не рождаются вимпы. Сами же частицы темной материи сталкиваются и аннигилируются теперь крайне редко. Оставшиеся вимпы начинают свободно перемещаться по космосу, не сталкиваясь вообще ни с чем. Многие считают, что именно из этих вимпов и состоит окружающая нас сегодня темная материя — из тех самых вимпов, которые появились, когда возраст Вселенной составлял примерно миллиардную долю секунды, и которые не успели вовремя аннигилировать.

А вот и «чудо вимпа»: если вимпы существуют, то к их появлению привели именно экстремально высокие температуры сразу после Большого взрыва. За это отвечают правило Е=mc2 и слабое взаимодействие. А если вимпы — стабильные частицы, то они должны были дожить и до наших дней. Мы примерно знаем, сколько материи есть сейчас во Вселенной. Темная материя должна весить примерно в пять раз больше, чем вся обычная. Сколько темной материи осталось от Большого взрыва, зависит от двух факторов: сколько частиц темной материи существует на сегодняшний день и сколько весит каждая из них. У нас есть теоретические основания полагать, что масса вимпа темной материи более чем в 100 раз превышает массу протона. Общее количество вимпов определяется тем, насколько они были подвержены столкновениям и аннигиляции в период сразу после Большого взрыва. Зная примерную массу вимпа, можно приблизительно оценить, насколько легко они будут сталкиваться. Так мы рассчитаем, сколько из них сейчас обитает в космосе. Количество полученных нами вимпов с такой массой почти идеально соответствует тому, сколько темной материи должно быть в нашей Вселенной.