Сага о том, как одна гипотетическая штуковина, изобретённая ради преодоления противоречий Стандартной модели, оказалась правдоподобной претенденткой в главные частицы загадочной тёмной материи.
Физика пронизана головоломками — и это отчасти помогает ей развиваться. Поражающие воображение загадки подпитывают стремление учёных отыскать истину. Но из всех проблем физики лишь две, наверное, можно назвать загадками высшего приоритета.
Начнём с того, что, когда учёные глядят на небо, они постоянно видят звёзды и галактики, удаляющиеся от нашей планеты и друг от друга во всех направлениях. Вселенная в некотором роде выглядит как раздувающийся пузырь, и именно так мы узнали, что она расширяется. Но что-то тут не так.
Кажется, просторы космоса бороздит не так уж много вещества — звёзд, частиц, планет и всего остального, — чтобы Вселенная расширялась так быстро. Другими словами, Вселенная расширяется в разы быстрее, чем ей позволяет физика. Расширение Вселенной набирает скорость, даже пока вы читаете эту статью. И это выводит нас на вторую проблему.
Согласно наиболее аккуратным расчётам экспертов, галактики тоже вращаются слишком быстро — как детские карусели, которые вышли из-под контроля и готовы сбросить с себя металлических лошадок. Кажется, что во Вселенной не хватает чего-то, что удерживало бы галактики в нынешнем виде и мешало бы им распадаться. И всё же Млечный путь не разлетается на части.
Итак… что же происходит?
Если коротко обозначить термины, физики называют неуловимое нечто, заставляющее Вселенную расширяться, тёмной энергией, а частицы, которые удерживают галактики вместе — предположительно, окружащия их чем-то вроде гало, — тёмной материей. Ни тёмная энергия, ни тёмная материя не взаимодействуют со светом или веществом, которые мы способны так или иначе видеть. По сути, для нас они невидимки. Вместе тёмная материя и тёмная энергия составляют колоссальные 95% Вселенной.
Обращаясь к проблеме частиц тёмной материи, авторы недавнего обзора, опубликованного в Science Advances, заметили, что «она может состоять из одного или нескольких типов фундаментальных частиц… или даже, частично или полностью, из макроскопических сгустков некой невидимой формы материи — например, из чёрных дыр».
Будь то чёрные дыры или нет, тёмная материя совершенно неуловима. В попытке разгадать её секреты учёные из всего, что, вероятно, составляет собой космос, отобрали горстку подозреваемых… И среди них одним из самых разыскиваемых стало странное маленькое пятнышко под названием аксион.
Широкими мазками о гипотезе аксиона
Возможно, вы слышали о Стандартной модели — этом в некоторой степени Святом Граале и безостановочно совершенствующемся настольном руководстве в области физики частиц? Стандартная модель объясняет работу каждой частицы во Вселенной.
Однако, как отмечают авторы обзора в Science Advances, некоторые учёные, занимающиеся физикой элементарных частиц, недовольны Стандартной моделью: в ней много теоретических упущений, а ещё она оставляет многие экспериментальные наблюдения без объяснения. И тут мы подошли к парадоксу, который касается устоявшейся научной концепции под названием CPT-инвариантность. Ага, загадки физики не заканчиваются.
По сути, CPT-инвариантность постулирует, что Вселенная должна быть симметричной, когда речь идёт о С (charge — зарядовом сопряжении), P (parity — чётности) и T (timе — времени). По этой же причине концепцию иногда называют СРТ-симметрией. Если бы всё во Вселенной имело противоположный заряд, было бы левосторонним, а не правосторонним, и путешествовало бы во времени назад, а не вперёд, то Вселенная должна была бы остаться такой же.
Долгое время СРТ-симметрия считалась нерушимой теорией. А затем наступил 1956 год.
Короче говоря, учёные выявили нарушения Р-симметрии в слабых взаимодействиях, которые отвечают за термоядерный синтез на Солнце и столкновения нейтрино с ядрами атомов. Все были потрясены, растеряны и напуганы: почти каждая фундаментальная концепция в физике опиралась на CPT-симметрию.
Спустя примерно десять лет исследователи открыли, что при слабых взаимодействиях происходят нарушения ещё и С-симметрии. Из-за этого разваливалось, буквально, всё. Физики могли лишь надеяться и молиться, что, хотя P-симметрия нарушается… и СР-симметрия нарушается… может быть, СРТ-симметрия всё ещё цела. Может, слабым взаимодействиям нужны все три элемента — С, P и T, чтобы поддерживать симметрию? К счастью, эта теория похожа на правду: по неизвестной причине при слабых взаимодействиях сохраняется СРТ-симметрия, несмотря на отдельные нарушения P и СР. Фух.
Но вот беда: если слабое взаимодействие нарушает СР-симметрию, казалось, сильное должно тоже её нарушать, верно? Что ж, это не так. И физики не знают, почему. Эта загадка называется «сильной СР-проблемой». И с этого момента всё становится ещё интереснее.
Известно, что нейтроны — незаряженные частицы внутри атомов — подчиняются сильному взаимодействию. А ещё, если упростить, нейтральный заряд этих частиц (вернее — их электрический дипольный момент, если он существует) означает, что они нарушают Т-симметрию. А «если мы находим что-то, что нарушает Т-симметрию, то оно должно нарушать и СР-симметрию таким образом, чтобы не нарушалась комбинация СРТ», — пишут авторы недавней статьи. Но — и это странно — нейтроны не делают этого из-за «сильной СР-проблемы».
И тут родилась идея аксиона.
В 1977 году физики Роберто Печчеи (Roberto Peccei) и Хелен Куинн (Helen Quinn) предложили добавить в стандартную модель новое поле, которое устраняло бы сильную СР-проблему, «ослабляя» её возможностью спонтанного нарушения. В результате этого нарушения должна была появляться частица, которая позже получила название аксион. И оказалось, что аксионы настолько хорошо всё поправили, что идея Печчеи и Куинн стала «самым популярным решением сильной СР-проблемы», как пишут авторы статьи в Science Advances. И это было просто чудесно.
Теперь внимание. Аксионы — по-прежнему гипотетические частицы, но подумайте о том, что произошло: физики добавили новую частицу к Стандартной модели, которая описывает все частицы Вселенной. Как это может отразиться на… всём?
Ключ к тёмной материи?
Согласно теории Печчеи—Куинн, аксионы должны быть «холодными», или, иначе говоря, очень медленно перемещаться в пространстве.
Предположение о существовании тёмной материи учёные сделали, наблюдая за её гравитационными эффектами, а ещё эти астрофизические наблюдения говорят о том, что она… «холодная».
Согласно обзору, «существуют экспериментальные верхние пределы того, как сильно аксионы взаимодействуют с видимой нам материей».
Таким образом, в сущности, аксионы, которые помогают объяснить сильную СР-проблему, также, по-видимому, обладают теоретическими свойствами, которые совпадают со свойствами тёмной материи. Отлично!
Представители Европейской организации по ядерным исследованиям, больше известной как ЦЕРН (CERN), которые управляют Большим адронным коллайдером и возглавляют исследования по изучению антиматерии, также заявляют следующее: «Одним из наиболее наводящих на размышления свойств аксионов является то, что естественным образом они могли образовываться в огромных количествах вскоре после Большого взрыва. И эта популяция аксионов всё ещё присутствовала бы сегодня во Вселенной и могла бы составлять тёмную материю».
Вот так. Аксионы сегодня — одна из самых «горячих» тем в физике, потому что, кажется, слишком многое объясняют. Но, к сожалению, остаются при этом лишь гипотезой.
Обнаружим ли мы когда-нибудь аксионы?
Прошло 40 лет с тех пор, как учёные начали искать аксионы. По словам авторов работы, опубликованной в Science Advances, в большей части поисков «задействованы взаимодействия [аксионного] поля с электромагнитными полями».
Например, сотрудники CERN разработали Axion Search Telescope — устройство для поиска намёков на аксионы, образующиеся в солнечном ядре. Внутри нашего Солнца есть мощные электрические поля, которые, в теории, могут взаимодействовать с аксионами. При условии, конечно, что аксионы там тоже есть.
Но у поиска аксионов есть несколько довольно больших проблем. Во-первых, как пишут авторы статьи, «масса частицы теоретически не предсказуема», то есть, каким может быть аксион, мы представляем довольно плохо.
Сейчас учёные ищут аксионы, допуская довольно значительный разброс по массе. Однако недавно исследователи предложили доказательства, согласно которым, похоже, масса частицы составляет от 40 до 180 микроэлектронвольт. Это немыслимо мало! Около одной миллиардной массы электрона!
«Кроме того, — пишут авторы статьи, — мы ожидаем, что сигнал от аксиона будет очень узким — из-за слабой связи с частицами и полями Стандартной модели». Если даже аксионы будут изо всех сил «сигнализировать» нам о своём присутствии, мы можем попросту не уловить их сигналы. В конце концов, мы же не замечали их до сих пор.
В общем, препятствий много, но поиски продолжаются. Потому что, по мнению большинства учёных, где-то же эти самые аксионы должны быть!
Правда, когда речь заходит о том, чтобы полностью объяснить аксионами феномен тёмной материи, авторы обзора отмечают, что это кажется чем-то «слишком уж хорошим, чтобы быть правдой».
«Большинство экспериментальных попыток [обнаружения аксионов] исходит из того, что аксионы составляют 100% гало тёмной материи», — отмечают авторы статьи. Однако, продолжают они, может так сложиться, что возможность «заглянуть в физику аксионов» лежит где-то за пределами этого предположения.
И хотя сейчас аксион приковал к себе всеобщее внимание, может оказаться так, что в следующих сезонах сериала о тёмной материи в главных ролях окажутся уже совсем другие исполнители.