Методы поиска темной материи

Дело в том, что один из основных способов получить темную материю во Вселенной — это предположить, что была какая-то массивная и слабовзаимодействующая частица. Тогда в ранней Вселенной она была в термодинамическом равновесии со средой, с остальными частицами, с газом, с плазмой, с электронами и так далее. А потом, когда Вселенная расширилась, она должна была бы саннигилировать, потому что она состояла из равного количества частиц и античастиц. Но саннигилировать успели не все. А потом уже они саннигилировать не могли, потому что Вселенная очень расширилась и им уже просто стало трудно найти друг друга, и они остались. Соответственно, по тому, сколько осталось этих частиц, мы можем оценить, каков был их характер взаимодействия и какое было сечение.

Замечательным фактом стало, что подобные оценки дали величину, которая очень хорошо попадала на типичное значение для слабого взаимодействия. Здесь нужно рассказать, что под слабым взаимодействием здесь имеется в виду не то, что оно слабое в обычном смысле. Оно как раз довольно сильное. Альтернативные модели темной материи — это сверхчастицы, у которых сверхслабое взаимодействие. Но оно слабое в том смысле, что это взаимодействие, которое происходит через слабые калибровочные бозоны ― Z-бозон и W-бозон. То есть это физический термин, а не общегражданская лексика. И таким образом получилось, что весьма привлекательной возможностью было бы, что темная материя состоит из массивных слабовзаимодействующих частиц ― слабовзаимодействующих именно в том смысле, каком было сказано выше. По-английски они назывались вимпы (Weakly Interacting Massive Particle).

Где-то в 2010 году большая часть ученых была уверена, что темная материя состоит из вимпов, и были предприняты серьезные попытки их найти. Один из способов — это прямое наблюдение. Вимп довольно тяжелый, грубо говоря, около 100 ГэВ/с2 — это в сто раз тяжелее, чем атом водорода. И мы можем попытаться наблюдать, как эти частицы пусть и редко, но стукаются о ядра обычного вещества. В нашей Галактике вимпы должны иметь большую скорость ― около 300 километров в секунду. Мы могли бы попытаться наблюдать подобные столкновения. Но это совсем не простая задача. Дело в том, что аналогичное столкновение может производить естественная радиоактивность. Казалось бы, у нас нет никакой радиоактивности. Но на самом деле радиоактивности у нас очень много.

Во-первых, люди вообще радиоактивны по своей природе, потому что они в значительной степени состоят из углерода, который имеет радиоактивный изотоп, и калия, который тоже имеет радиоактивный изотоп, поэтому наши тела активно излучают. К тому же есть поток частиц сверху, из космоса. Поэтому подобные эксперименты проводятся под землей. Весь фон убрать нельзя, но уменьшить его серьезно можно. Все это проводится на глубине сотен метров. Берется какая-то мишень, например бочка с жидким ксеноном или кристалл германия (тут бывают разные подходы). Мы пытаемся заметить событие столкновения вимпа с данным кристаллом или ядром ксенона. Столкновения-то мы наблюдаем, но они не те по энергиям или другим характеристикам, то есть это сложная задача. Кажется, что все просто, а на самом деле это очень сложная задача, но сейчас она очень успешно решена в том смысле, что чувствительность этих методов очень хорошая. Но никакого реального сигнала, к сожалению, пока не обнаружено. То есть один из детекторов видит сигнал, но его результаты противоречат всем остальным, и, позволю себе выразить свое мнение, скорее всего, никакого отношения к темной материи данный сигнал не имеет.

Второй способ наблюдать темную материю, причем не только вимп, но и более широкий спектр моделей, ― это наблюдать ее аннигиляцию, то есть смотреть, как частицы темной материи сталкиваются и превращаются в какие-то нормальные частицы, и фиксировать их. Если это аннигиляция, то нам бы хотелось наблюдать, с одной стороны, место, где темной материи очень много. В этом смысле очень хорош центр нашей Галактики, где темной материи должна быть высокая концентрация. Но тут возникает другая проблема. Мы наблюдаем центр Галактики, и оттуда действительно идет жесткое излучение. Но там, помимо темной материи, имеются еще пульсары и другие источники жесткого излучения, так сказать конкурирующие. Если вы даже что-то видите, вы должны доказать, что это именно аннигиляция темной материи, а не какой-то астрофизический процесс. Сигналы есть, а доказать, что они связаны с темной материей, пока никому не удалось. Хотя несколько раз были какие-то намеки на открытие и некая эйфория, но потом все это рассасывалось.

Более перспективно в настоящий момент выглядят спутники нашей Галактики, открытые в 2007 году. Они очень необычны. Это объект с массой галактики, то есть имеет массу в десятки миллионов солнечных масс. Это карликовая галактика, но галактика самая настоящая. А звезд в ней, если мы возьмем, например, тот источник, который открыли в 2007 году, один из них ― Segue 1, то у него масса 107 масс Солнца, а звезд в нем, если мне не изменяет память, наблюдается 64 штуки. Мы можем часть не видеть, часть не вычленить, но, видимо, их около тысячи. Если в среднем во Вселенной темной материи примерно в 5 раз больше, чем обычной материи, то здесь темной материи больше в 10 000 раз. И любой сигнал, который оттуда бы шел, более-менее жесткое какое-то излучение ― гамма-излучение или что-то в этом роде ― было бы, конечно, расценено как признак аннигиляции. К сожалению, ничего нет. То есть мы ничего не видим. И уже сейчас качество наблюдений таково, что мы уже близки к тому, чтобы начать «резать» модели в том смысле, что исключать некие модели, в которых можно было ожидать, что сигнал бы был, а его вот нет. Но «режем» мы тоже не очень хорошо. Поэтому пока все попытки найти следы аннигиляции темной материи или следы распада частиц темной материи, согласно некоторым теориям, ни к чему не привели.

Третий способ поиска темной материи — это поиск ее на ускорителе. Скорее всего, конечно, на LHC мы будем наблюдать рождение каких-то принципиально новых частиц, которые если не будут являться частицами самой темной материи, то будут с ней как-то связаны, как связаны, например, электроны и нейтрино. Есть некая теория, в которой присутствуют частицы темной материи и еще другие какие-то частицы, но неизвестные. Пока неоткрытые, но заряженные, например. В идеале мы получаем эти заряженные частицы на ускорителе и с хорошей точностью предсказываем, что есть частицы темной материи. К сожалению, этого тоже пока нет — по состоянию на май 2017 года. Пока на LHC нашли бозон Хиггса и некоторые новые явления физики сильного взаимодействия, но к темной материи это все не имеет никакого отношения.

Наконец, четвертый способ — это наблюдение формирования структур из темной материи. В момент формирования реликтового излучения у частиц темной материи скорость была равна нулю, согласно большинству моделей. То есть она была очень мала. И в этом случае структуры формируются определенным образом. Если же все-таки там были какие-то скорости, они не могут быть большими, но какие-то были, и это несколько размажет структуру. До последнего времени было противоречие: компьютерное моделирование темной материи показывало, что в центрах галактик плотность темной материи должна быть очень большой и очень круто идти вверх. А наблюдения противоречили этому. Из этого противоречия делали выводы, что темная материя может быть теплой. Это бы внесло очень большой вклад. То есть мы бы не узнали точно, из чего она состоит, но очень многие модели можно было бы отсечь. К сожалению, это, по-видимому, тоже все рассосалось. Скорее всего, это был просто численный эффект в моделировании.

Таким образом, имеются четыре способа поиска темной материи, но ни одним из них открыть ее пока не удалось. Задача остается нерешенной и очень интересной. Одна из причин, по которой задача очень интересна, состоит в том, что, как я уже говорил, на LHC мы ничего не видим. Никакой новой физики пока нет. Все проходит в рамках Стандартной модели. И пока единственный факт, который мы можем предъявить, что все-таки Стандартная модель — это вовсе не окончательная модель и должно быть что-то еще, ― это наличие темной материи. По большому счету с другими экспериментальными аргументами, которые можно пощупать, очень плохо. Это единственный, потому что все остальное ― это некие теории. А вот существование темной материи ― вещь, которая в рамках современной модели элементарных частиц необъяснима. Подходящего кандидата пока нет. Таким образом, это очень интересная тема исследований. К сожалению, трудно сказать, когда мы ее откроем, потому что это все-таки очень сильно зависит от того, какова ее физическая природа. Это интересная задача, которая действительно позволит нам серьезно продвинуться в познании Вселенной.