Как увидеть невидимое

Совместно с издательством Альпина нон-фикшн мы публикуем отрывок из книги «Темная материя и динозавры» физика-теоретика Лизы Рэндалл о хитросплетении астрономии и биологии, связи темной материи и кометы, уничтожившей динозавров, и об истоках нашего существования на Земле.

В декабре 2013 г. профессор Ричард Гейтскелл из Университета Брауна, один из основных участников и официальный представитель проекта LUX — масштабного эксперимента по детектированию темной материи, — выступил в Гарварде. На встрече с большой группой членов физического факультета он с большим оптимизмом рассказал о том, что ему с коллегами пока не удалось обнаружить темную материю. Как ни странно, Гейтскелл видел успех эксперимента в том, что он позволил отказаться от многих кандидатов на роль темной материи, существование которых предполагалось большим классом моделей и даже подтверждалось некоторыми ложными (с нынешней точки зрения) экспериментальными данными. Хотя темная материя не была обнаружена ни в его, ни каком-либо другом эксперименте, у Гейтскелла было основание для оптимизма. Очень сложный эксперимент, придуманный им и его коллегами, выполнил свою задачу именно так, как они и рассчитывали. Природа, однако, не захотела в этот раз сотрудничать с ними и не предоставила кандидата с такой массой и силой взаимодействия, которые можно было обнаружить в эксперименте.

Это была лишь первая серия результатов эксперимента LUX, который продолжается и поставляет все новые данные. Тем не менее она превзошла результаты прежних, общепризнанных экспериментов уже на старте. Гейтскелл с коллегами создали такую чистую среду, что самые первые результаты эксперимента оказались надежнее других данных. В условиях, когда радиоактивное излучение от неосторожно оставленного экспериментатором отпечатка пальца может дать в миллиарды раз более сильный «сигнал», чем искомая частица темной материи, эксперимент Гейтскелла прошел потрясающе хорошо. Чистые и надежные данные, полученные в эксперименте, определенно свидетельствуют о том, что детектор в точности выполняет задачу, для которой его создавали, — высокоточный поиск нужного сигнала и надежное отклонение всех ложных сигналов.

Новейшие технологии позволяют сегодня собирать массу разнообразных данных, причем не только о потребительских предпочтениях. Накопленные данные обеспечивают прогресс в физике элементарных частиц, астрономии, космологии и других областях науки. Хотя ни один эксперимент не привел к обнаружению темной материи, многие из них принесли очень интересные результаты. Бывает, что эксперимент, подобный проекту Гейтскелла, заставляет отказываться от многих перспективных возможностей, которые вытекали из прежних, не таких строгих, измерений. Эксперимент Гейскелла и другие эксперименты продолжаются в надежде обнаружить раньше или позже более надежный сигнал, который окажется реальным открытием.

Так или иначе, поиски темной материи — грандиозная задача. Поскольку гравитационное взаимодействие очень слабо, в поисках частиц, составляющих темную материю, приходится обращаться к таким взаимодействиям, о которых мы еще не знаем. Если темная материя вступает исключительно в гравитационное взаимодействие или в новые виды взаимодействия, которые не наблюдаются в обычной материи, то традиционный подход к поискам ничего не даст. Даже если силы Стандартной модели и оказывают воздействие на темную материю, то никто не может гарантировать, что такие взаимодействия достаточно сильны для их обнаружения в нынешних экспериментах.

Текущие поиски исходят из слабой надежды на то, что темная материя, несмотря на ее практическую невидимость, все же вступает во взаимодействия, достаточные для обнаружения с помощью детекторов из обычной материи. Иными словами, они строятся в какой-то мере на благих пожеланиях. Однако источником оптимизма являются также перспективы моделей WIMP, рассмотренные в предыдущей главе. Большинство WIMP-кандидатов в частицы темной материи должны взаимодействовать с частицами Стандартной модели, пусть крайне слабо, но с частотой, потенциально достаточной для обнаружения в нынешних сверхточных экспериментах. Поиски достигли точки, где результаты экспериментов в конечном итоге должны либо подтвердить большинство моделей WIMP, либо опровергнуть их.

При рассмотрении альтернативных моделей темной материи в следующей главе я представлю ряд совершенно других наблюдений. Здесь же мы ограничимся темной материей, состоящей из WIMP, и тремя наиболее перспективными подходами к ее поиску (рис. 36). Темная материя неуловима, однако экспериментаторы не оставляют поисков ее едва заметных проявлений.

Эксперименты по прямому детектированию

Первая группа экспериментов, направленных на поиск WIMP, относится к категории прямого детектирования. Эти эксперименты предполагают использование огромных, чрезвычайно чувствительных устройств на Земле, в которых большой объем детекторов должен максимально компенсировать ничтожную силу взаимодействия темной материи. Идея заключается в том, что частицы темной материи, проходящие через материал детектора, раньше или позже должны столкнуться с каким-нибудь ядром. Это взаимодействие должно привести к появлению ядер отдачи или к выделению энергии, которую можно, в принципе, обнаружить с помощью либо сильно охлажденного детектора, либо очень чувствительного материала, поглощающего и регистрирующего ничтожное тепло. Если частица темной материи проходит через устройство прямого детектирования, сталкивается и чуть заметно смещает какое-нибудь ядро, то можно обнаружить ничтожное изменение энергии, являющееся единственным потенциально измеримым свидетельством этого события. Хотя вероятность отдельно взятого взаимодействия очень мала, шансы на успех повышаются за счет большого размера детектора и высокой чувствительности. Именно поэтому экспериментальные установки так велики.

Криогенные детекторы — это очень холодные устройства с кристаллическим поглотителем, например из германия. Для регистрации малых количеств тепла в них используются встроенные сверхпроводящие квантовые интерферометры. Эти устройства теряют сверхпроводимость и дают сигнал о потенциальном столкновении с частицей темной материи при воздействии на холодный сверхпроводник даже очень малого количества энергии. К экспериментам этой категории относятся CDMS (Cryogenic Dark Matter Search — буквально криогенный поиск темной материи), CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers — криогенный поиск редких событий с помощью сверхпроводящих термометров) и EDELWEISS (Expérience pour Détecter Les Wimps en Site Souterrain — в переводе с французского означает «эксперимент по детектированию WIMP в подземной лаборатории»). Полные названия этих экспериментов громоздки, и большинство физиков пользуются более удобными сокращениями.

Криогенные детекторы — не единственные устройства, применяемые для прямого детектирования. В детекторах другого типа, роль которых быстро возрастает, используются сжиженные благородные газы. Хотя темная материя напрямую не взаимодействует со светом, энергия, полученная атомом ксенона или аргона в результате столкновения с частицей темной материи, может потенциально вызвать характерную сцинтилляцию[1 ]Кратковременная люминесценция (световая вспышка), возникающая в сцинтилляторах под действием ионизирующих излучений. — Прим. пер.. Эксперименты этого рода включают в себя XENON100 и LUX (Large Underground Xenon Detector — большой подземный ксеноновый детектор), о котором я уже упоминала, а также детекторы на основе аргона, известные как ZEPLIN, DEAP, WARP, DArkSide и ArDM.

Детекторы в экспериментах XENON100 и LUX планируется в ближайшие годы сделать крупнее и значительно улучшить в рамках коллаборации XENON1T и LUX-ZEPLIN. Представление о том, в каком направлении идет развитие, дают обозначения в конце названия эксперимента XENON: 100 — это примерная масса детектора в килограммах, а 1T — это уже одна тонна. LUX-ZEPLIN будет еще больше — масса его рабочего объема, т. е. области, которая используется для детектирования темной материи, будет составлять 5 т.

И криогенные детекторы, и детекторы на благородных газах предназначены для регистрации той крошечной энергии, которая может выделяться при взаимодействии частицы темной материи. Однако, каким бы убедительным это ни казалось, регистрация ничтожного изменения энергии недостаточна для установления факта прохождения частицы темной материи. Экспериментаторам, помимо этого, нужно убедиться в том, что они зарегистрировали нужный сигнал, а не фоновое излучение, которое подобно темной материи также может приводить к выделению небольших количеств энергии, да к тому же взаимодействует с обычной материей намного сильнее.

Это очень сложная задача. Излучение, которое может попасть в сверхчувствительный детектор темной материи, идет отовсюду. Мюоны космических лучей — более тяжелые собратья электронов — могут при столкновении с породой рождать целый поток частиц, сигнал, похожий на темную материю, способны давать и нейтроны. Даже при наличии довольно надежных предположений относительно массы и силы взаимодействия частиц темной материи электромагнитный фон превышает искомый сигнал как минимум в тысячу раз. И это без учета естественных и искусственных радиоактивных веществ, присутствующих в воздухе, в окружающей среде и в самом детекторе.

Ученые, конструирующие экспериментальные установки, знают об этом лучше других. Суть того, что делают астрофизики и экспериментаторы в поисках темной материи, можно выразить двумя словами — экранирование и дискриминация. Для защиты детектора от опасного излучения и отделения потенциальных событий, связанных с темной материей, от неинтересного рассеяния излучения в детекторах экспериментаторы размещают свои установки глубоко под землей в шахтах или в толще гор. Окружающая порода должна поглощать космические лучи и не допускать их попадание в детектор, находящийся на достаточной глубине. Подавляющая часть излучения, таким образом, отсекается, в то время как темная материя с учетом ее значительно более слабого взаимодействия свободно достигает детектора.

К счастью, существует довольно много шахт и туннелей, где можно разместить экспериментальные установки. Шахты строят в определенной мере потому, что, как уже говорилось, тяжелые элементы опускаются к центру Земли, однако иногда они поднимаются и образуют под землей залежи полезных ископаемых. Эксперименты DAMA, XENON10 и более крупный XENON100, а также CRESST, где используется детектор из вольфрама, проводятся в Национальной лаборатории Гран-Сассо, Италия, в туннеле на глубине 1400 м.

Детектор эксперимента LUX размещен на глубине 1500 м в шахте бывшего золотого рудника Хоумстейк в штате Южная Дакота, США. Рудник Хоумстейк известен в сообществе физиков как место проведения другого грандиозного эксперимента по обнаружению солнечных нейтрино, именно там были получены первые реальные свидетельства того, что у нейтрино ненулевая масса. Для эксперимента CDMS используется шахта Соудан, США, глубиной 750 м. Шахта Садбери в провинции Онтарио, Канада, которая была построена в свое время для разработки месторождения металлов, образовавшегося в результате падения на Землю огромного астероида примерно 2 млрд лет назад, также служит местом проведения ряда экспериментов по поиску темной материи.

Однако, хотя экспериментальные установки размещают глубоко под землей, толщи горных пород недостаточно, чтобы гарантированно изолировать детекторы от излучения. Экспериментаторам приходится дополнительно защищать их различными способами. Больше всего меня поразил экран, изготовленный из старого свинца с затонувшего французского галеона. Свинец — плотный поглощающий материал, а в старом свинце уже нет радиоактивных примесей, поэтому он отлично защищает от излучения, не добавляя к нему ничего от себя.

Другим, более современным экранирующим материалом является, например, полиэтилен, который излучает свет, если в него попадает что-то взаимодействующее более сильно, чем темная материя. Детекторы на основе сжиженных благородных газов, таких как ксенон, сами действуют как экран. Поглощающая область ксеноновых детекторов настолько велика, что экспериментаторы не обращают внимания на события в их внешней части, которая используется только для экранирования радиационного фона, и регистрируют сигналы исключительно во внутренней части.

Дискриминация тоже играет немаловажную роль. Физики, занимающиеся элементарными частицами, называют это по-другому — идентификацией частиц (или ID частиц). Возможно, это связано с тем, что физики больше связаны с компьютерами, хотя ID ныне имеет и политическую окраску. Как бы такую процедуру ни называли, дискриминация (в отличие от экранирования) — это отделение электромагнитного излучения, которое неизбежно присутствует, от сигналов потенциальных кандидатов на роль темной материи. Измеряя ионизацию и первичную сцинтилляцию, экспериментаторы могут отделить сигнал от фонового излучения.

Участники эксперимента DAMA с использованием сцинтилляторов в Национальной лаборатории Гран-Сассо, Италия, уже не раз сообщали об обнаружении сигнала. Тем не менее, поскольку в этом эксперименте нет возможности разделить сигнал и фон — регистрируется только изменение сигнала во времени, — а также из-за того, что результат не воспроизводится в других экспериментах, большинство физиков скептически смотрят на подлинность сигнала.

В других экспериментах тоже зарегистрированы потенциальные сигналы, однако лишь в нескольких событиях и при низких энергиях. Это дает веские основания с подозрением относиться к данным результатам. Напомню, что детекторы измеряют энергию отдачи. Когда она слишком мала, чувствительность установки недостаточна для ее обнаружения. События с низкой энергией находятся слишком близко к границе дискриминации. Поэтому скептицизм в отношении потенциального низкоэнергетического сигнала гарантирован до тех пор, пока не будут получены дополнительные данные или другие эксперименты не подтвердят потенциальные наблюдения.

Непрямое детектирование

Эксперименты по прямому поиску темной материи, которая пронизывает Землю, вполне могут оказаться успешными и привести к открытию частиц темной материи. Однако есть и другая перспективная стратегия — поиск сигнала, который возникает в результате аннигиляции частиц темной материи и темной антиматерии (или одинаковых частиц, когда они могут аннигилировать друг с другом), при трансформировании энергии частицы темной материи в другие, возможно видимые, формы материи. Аннигиляция темной материи происходит, скорее всего, не очень часто, ведь темная материя очень рассеяна. Это, однако, не означает, что такие события не происходят вообще. Все, конечно, зависит от того, какую природу имеет темная материя.

Если аннигиляция темной материи все же происходит, то приборы на Земле или в космосе могут обнаружить образующиеся в результате нее частицы. Это и называют непрямым детектированием. Непрямое детектирование нацелено на поиск частиц, которые возникают после исчезновения аннигилирующих частиц темной материи. Если нам повезет, то они могут оказаться частицами и античастицами Стандартной модели, такими как электроны и их антиподы — позитроны или пары фотонов, т. е. тем, что потенциально доступно для регистрации на Земле или в космосе. Античастицы и фотоны — наиболее перспективные объекты поиска при непрямом детектировании темной материи, поскольку античастицы встречаются в космосе редко. Фотоны тоже могут представлять интерес в силу того, что фотоны, рожденные при аннигиляции темной материи, должны иметь не такую энергию и пространственное распределение, как фотоны астрофизического фона.

Большинство приборов, которые используются для поиска таких продуктов аннигиляции темной материи, исходно разрабатывались в других целях. Главной целью большинства телескопов и детекторов в космосе и на земле является регистрация света и частиц, испускаемых астрономическими небесными источниками. Они нацелены на более глубокое изучение звезд, пульсаров и других объектов, которые, с точки зрения ученых, занимающихся поисками темной материи, не более чем астрофизический фон, способный дать ложный сигнал.

Но если посмотреть на это с другой стороны, то сходство частиц, испускаемых фоновыми источниками и рождающихся в результате аннигиляции гипотетической темной материи, позволяет использовать результаты наблюдений с помощью существующих телескопов для получения информации о темной материи. Чем больше астрофизики будут знать об обычных источниках таких частиц, тем увереннее они смогут отличать их от проявлений темной материи. Несмотря на потенциальную неоднозначность интерпретации, непрямые поиски темной материи могут принести успех, если понимание обычных источников даст возможность гарантированно выделять их вклад в то, что будет обнаружено.

Один из таких экспериментов по непрямому детектированию осуществляется на Международной космической станции. Идею разместить на ней детектор для поиска позитронов и антипротонов выдвинул лауреат Нобелевской премии Сэм Тинг из Массачусетского технологического института. Таким космическим детектором частиц является магнитный альфа-спектрометр (AMS). Он продолжает поиск, начатый космическим детекторным комплексом PAMELA (это красивое название тоже аббревиатура); первые результаты AMS были представлены в 2013 г.

Хотя первоначально данные казались интригующими, в настоящее время есть сильные возражения против их объяснения аннигиляцией темной материи, поскольку среди прочего сигналы PAMELA и AMS требуют наличия такого большого количества темной материи во Вселенной, что ее искажающее воздействие на реликтовое излучение не могло бы остаться незамеченным для космической обсерватории Planck. Удивительные, на первый взгляд, результаты сейчас, похоже, указывают на то, что астрофизикам нужны гораздо более глубокие знания о таких источниках излучения, как пульсары. До тех пор пока у обычных источников излучения есть хоть малейший шанс на объяснение сигнала, ни один аргумент в пользу темной материи не может считаться убедительным.

Темная материя может также аннигилировать с испусканием кварков и антикварков или глюонов — частиц, которые вступают в сильные ядерные взаимодействия. Фактически большинство моделей WIMP предсказывают именно этот вариант в качестве наиболее вероятного исхода с образованием частиц Стандартной модели. Астрофизический фон для наиболее очевидной цели поисков — антипротонов — высок, однако фон низкоэнергетических антидейтронов, представляющих собой очень слабо связанные антипротоны и антинейтроны, намного ниже. Есть шанс на обнаружение темной материи при ее аннигиляции с образованием этих низкоэнергетических частиц. Баллонный эксперимент GAPS, который планируется провести в Антарктиде в 2019 г., будет нацелен на поиск именно такого сигнала.

Незаряженные частицы нейтрино, вступающие только в слабые взаимодействия, также перспективны с точки зрения непрямого детектирования темной материи. Темная материя может скапливаться в центре Солнца и Земли, плотность ее при этом возрастает, а вместе с ней и вероятность аннигиляции. Единственными частицами, которые способны вырваться оттуда, являются нейтрино, поскольку, в отличие от других частиц, они взаимодействуют слишком слабо, чтобы задерживаться окружающим веществом. Такие детекторы на земной поверхности, как AMANDA, IceCube и ANTARES[2 ]В России есть аналогичный ANTARES эксперимент BAIKAL на одноименном озере. — Прим. науч. ред., предназначены для поиска как раз таких высокоэнергетических нейтрино.

Другие наземные детекторы регистрируют высокоэнергетические фотоны, электроны и позитроны. HESS (High Energy Stereoscopic System — высокоэнергетическая стереоскопическая система) в Намибии и VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System — система телескопов для наблюдения за высокоэнергетическим излучением) в штате Аризона представляют собой крупные системы наземных телескопов, регистрирующих высокоэнергетические фотоны из центра галактики. Обсерватория нового поколения для регистрации сверхжесткого гамма-излучения — Массив черенковских телескопов — обещает быть еще чувствительнее.

Однако, пожалуй, самые значимые результаты непрямых поисков получены в последние два года с космической гамма-обсерватории Fermi, названной так в честь выдающегося итальянского физика Энрико Ферми, чье имя также лежит в основе всех «фермионов»[3 ]Частицы с полуцелым спином (электроны, нейтрино, кварки, а также нейтроны и протоны) и соответствующей статистикой. — Прим. науч. ред.. Обсерватория Fermi находится на запущенном в начале 2008 г. спутнике, который делает оборот вокруг Земли каждые 95 минут на высоте 550 км. Детекторы фотонов на Земле могут быть значительно больше тех, что размещаются на спутниках, но очень точная аппаратура обсерватории Fermi имеет более высокое разрешение по энергии и направлению, хорошую чувствительность к фотонам с низкой энергией и значительно более широкое поле зрения.

Обсерватория Fermi дала основания для множества интересных предположений и исследований на тему темной материи. После начала ее работы несколько раз появлялись слабые сигналы, которые, хотя и неоднозначны, дают кое-какие намеки на то, что может представлять собой темная материя. Один сигнал обнаружил физик Дэн Хупер из Фермилаб (Национальной ускорительной лаборатории Ферми в городке Батавия недалеко от Чикаго, штат Иллинойс). Он со своими коллегами обратил внимание на то, что рассеянное фотонное излучение из области, близкой к центру галактики, превышает ожидаемый астрофизический фон.

Как и в случае с более ранним неожиданным результатом по детектированию позитронов, данные определенно демонстрируют превышение ожидаемого фона. И опять вопрос в том, что служит источником более сильного излучения — какой-нибудь неизвестный астрофизический объект или нечто, действительно связанное с темной материей. Астрономы пока не могут дать определенный ответ. На данный момент ни одно из объяснений не кажется полностью однозначным или убедительным.

Другой сигнал, который выделен в фотонном излучении и также не объясняется известными астрофизическими источниками, — это линия рентгеновского излучения с энергией несколько килоэлектронвольт [4 ]Электронвольт (эВ) — единица энергии, наиболее часто используемая в физике элементарных частиц. Килоэлектронвольт (кэВ) — это 1000 эВ, а гигаэлектронвольты (ГэВ), которые часто фигурируют в разговорах физиков, работающих на современных ускорителях, — это миллиарды электронвольт. — Прим. авт., что составляет примерно сотую часть энергии электрона. Необычность этого наблюдения заключается в том, что линия соответствует более интенсивному потоку фотонов, возникающих при определенной энергии с очень малым разбросом. Не забывайте, однако, что атомные и молекулярные переходы между разными энергетическими уровнями дают сходные линии, а сигнал не такой уж и сильный, поэтому совершенно неясно, является ли он реальным открытием. Такое отсутствие убедительных свидетельств не останавливает исследования в области аксионов или распада темной материи. Пока не будут получены дополнительные данные или не появятся новые теоретические разработки, мы не узнаем, что это такое — флуктуации, фон или настоящее открытие.

Последним гипотетическим сигналом, о котором я хочу упомянуть, поскольку он связан с рассматриваемым в этой книге исследованием, являются фотоны с энергией 130 ГэВ, обнаруженные в начале работы обсерватории Fermi. Этот сигнал, безусловно, любопытен, учитывая близость измеренной энергии к массе бозона Хиггса, которая составляет примерно 125 ГэВ. В свете отсутствия надежного астрофизического объяснения некоторые астрономы предполагают, что сигнал может быть свидетельством аннигиляции темной материи.

Сразу скажу, что это свидетельство не прошло испытания временем — или дополнительными данными — и в настоящее время опровергнуто. Однако, пытаясь объяснить, откуда мог взяться этот сигнал, мы с коллегами — Мэттом Рисом, Джиджи Фан и Андреем Кацем — в конце концов занялись исследованием любопытного класса моделей, на который в ином случае вряд ли набрели. Как и в случае многих других перспективных научных разработок, модель заинтересовала нас по причинам, очень отдаленно связанным с первоначальным мотивом, и привела к рождению идеи темного диска, о котором я вскоре расскажу.

Темная материя на большом андронном коллайдере

Хотя сегодня эта возможность кажется менее перспективной, но WIMP все же могут быть обнаружены на Большом адронном коллайдере (LHC) — гигантском ускорителе недалеко от Женевы, который расположен под землей на границе Франции и Швейцарии. Противоположно направленные пучки протонов разгоняются в 27-километровом кольце и сталкиваются друг с другом при очень высоких энергиях. На коллайдере получают частицы с такой энергией, которая достаточна для рождения бозонов Хиггса и, возможно, для появления других гипотетических частиц, таких как WIMP. Если это произойдет, то их взаимодействие с частицами Стандартной модели можно будет обнаружить.

Даже если на LHC и удастся зарегистрировать новые частицы, для получения неопровержимого доказательства их принадлежности к темной материи все равно потребуются дополнительные свидетельства со специальных детекторов на земле и в космосе. Тем не менее обнаружение WIMP на Большом адронном коллайдере было бы большим достижением. Это, возможно, позволило бы получить детальные представления о свойствах частиц темной материи, которые очень сложно исследовать другими методами.

Вряд ли стоит ожидать заметного взаимодействия частиц темной материи с протонами, сталкивающимися на LHC, поскольку темная материя вообще крайне слабо взаимодействует с обычным веществом. И все же при столкновении протонов могут возникать другие частицы, при распаде которых образуются WIMP. Вопрос в том, как идентифицировать такое событие, учитывая, что темная материя не взаимодействует с детектором и, следовательно, не оставляет видимых следов.

Одной из категорий событий, в которых нужно искать WIMP, является распад заряженных частиц. Они не могут распадаться исключительно на нейтральные частицы темной материи из-за того, что тогда нарушается закон сохранения заряда. Обнаружение дополнительных заряженных частиц, которые обязательно присутствуют в конечном состоянии, но имеют иную энергию и импульс, чем первоначально распавшаяся частица, поскольку невидимая темная материя забирает часть энергии и импульса, возможно, позволит связать конкретные виды взаимодействий с появлением слабо взаимодействующих частиц.

Признаком появления темной материи будет служить энергия, которую не удается обнаружить в эксперименте, вкупе с согласованием предсказанной частоты событий и сигналов с фактическими данными. Если законы физики кардинально не отличаются от тех, которые все считают действующими, то очевидное нарушение законов сохранения энергии и заряда может объясняться только появлением необнаружимой частицы, которая, возможно, связана с темной материей.

WIMP, несмотря на их исчезающе малое взаимодействие с обычной материей, также могут прямо рождаться парами. Столкновение двух протонов способно иногда приводить к появлению двух WIMP, а столкновение двух WIMP в обратном процессе — к аннигиляции с образованием обычной материи. Как часто это происходит, зависит от конкретной модели — в конце концов, WIMP не обязательно аннигилируют в протоны, поэтому обратный процесс также не гарантирован. Однако для многих моделей это может быть хорошим направлением поиска.

Здесь опять экспериментаторам придется решать проблему необнаружимости темной материи самой по себе — увидеть можно только другие частицы, рождающиеся вместе с ней. Так или иначе, у ученых есть возможность наблюдать события, где наряду с темной материей появляется одна частица вроде фотона или глюона (частица, которая переносит сильное взаимодействие между кварками), и теоретики уже показали, что такой подход может, в принципе, давать достаточно сильный сигнал.

Пока исследования на Большом адронном коллайдере не привели к обнаружению каких-либо признаков появления темной материи. Физики не знают, с чем это связано — с недостаточной энергией, получаемой на ускорителе, или с ошибочными теоретическими предположениями, в соответствии с которыми дополнительные частицы должны появляться при этой энергии. Как бы то ни было, шансы на обнаружение дополнительных частиц при нынешней энергии столкновений на LHC все еще сохраняются. Возможно, одна из них будет связана с темной материей.

Поиск менее неуловимой темной материи

WIMP, в отличие от Оби-Ван Кеноби[5 ]Оби-Ван Кеноби — один из персонажей киноэпопеи «Звездные войны», постоянно помогающий главному герою Люку Скайуокеру. — Прим. пер., — не единственная наша надежда, хотя с точки зрения методов детектирования во многих смыслах лучшая. Прямое детектирование работает только тогда, когда частицы темной материи в какой-то мере взаимодействуют с частицами Стандартной модели, а модели WIMP гарантируют такую возможность. Более того, тепловое рождение гарантирует равные количества темной материи и антиматерии (или что темная материя является собственной античастицей), так что аннигиляция также актуальна. Но возможны ведь и другие проявления темной материи. Стоит ли нам искать их?

К сожалению, других кандидатов на роль темной материи, от которых пока что не отказались, найти еще труднее. Стратегия поиска должна быть привязанной к конкретной модели. Возможность обнаружения с использованием существующей технической базы не обязательно гарантирована. Может быть, нам повезет, и темная материя окажется не совсем прозрачной, чуть-чуть видимой для тех методов, которые оптимистично предполагают некоторое ее взаимодействие с частицами Стандартной модели. Однако с учетом неопределенностей я считаю, что лучше сфокусироваться на детектировании такого взаимодействия, в которое темная материя однозначно вступает, а именно гравитационного взаимодействия. Хотя внутреннее взаимодействие темной материи или ее взаимодействие с другой невидимой субстанцией и не наблюдается напрямую, оно проявляется через видимое нам распределение массы во Вселенной.