Нас окружает огромный, но совершенно неизведанный мир. Это темная материя — непонятное вещество, само существование которого люди заподозрили лишь в XX веке. По массе темная материя в несколько раз превосходит все то вещество, которое мы видим, — звезды, планеты, нас самих. Но о природе ее ученые почти ничего не знают. Темная материя — главная загадка физики наших дней.
Впрочем, как раз в последние несколько лет в этой области науки наметился прорыв. Астрономы все лучше узнают свойства темной материи на космических масштабах, от огромных скоплений галактик до небольших сгустков массой порядка массы Земли. А физики вплотную подобрались к тому, чтобы впервые «пощупать» это загадочное вещество в лабораториях — наземных и орбитальных.
Что же это такое, темная материя? Почему она «темная»? Откуда мы про нее узнали? Каковы ее свойства и какое место она занимает в общей картине физического мира? Каким экспериментам удалось схватить темную материю за рукав и как интерпретировать результаты этих опытов?
Обо всем этом в интервью Infox.ru рассказал российский физик, сотрудник Центра космологии и физики частиц при Университете Нью-Йорка Дмитрий Малышев.
Темная материя в физике и в мире
— В чем состоит проблема темной материи?
— Есть несколько указаний на то, что существует вещество, которое взаимодействует с видимым веществом лишь с помощью гравитации. Из космологии известно, что без темной материи не получается правильный спектр реликтового микроволнового излучения. Есть наблюдения вращения звезд в галактиках, и по скорости их вращения получается, что должно быть больше массы, чем есть видимого вещества.
Наконец, есть эксперименты по гравитационным линзам: в теории относительности свет отклоняется в гравитационном поле. Так из наблюдений можно оценить, сколько массы отклоняет свет. И опять помимо видимого вещества должно быть еще и невидимое.
Это и есть так называемая темная материя, и, собственно, проблема заключается в том, чтобы понять, какова ее структура, какова ее природа.
— Почему мы считаем, что этот недостаток массы — не просто какое-то обычное вещество, которое мы не видим, а действительно что-то не входящее в рамки привычной, стандартной физики?
— Обычное вещество обязательно излучает или поглощает свет. Оно имеет какую-то температуру и светится в каком-нибудь диапазоне. Даже если оно холодное, то будет светиться в радио-, инфракрасном свете. А темная материя прозрачна и не проявляется ни в электромагнитном, ни в слабом, ни в сильном взаимодействиях.
— То есть темная материя может быть вообще никак не связана с нашим привычным миром, частицы которого участвуют в этих процессах?
— В принципе может. Но есть указания на то, что связь между темным и светлым мирами все-таки есть и частицы из одного мира могут превращаться в кирпичики другого.
Например, теория естественным образом объясняет наблюдаемую среднюю плотность темной материи, если мы допускаем аннигиляцию темной материи в обычные частицы. Если этого не предполагать, очень трудно понять, почему нынешняя плотность темной материи должна равняться тому значению, которое мы получаем из астрофизических наблюдений.
Хотя не исключено, что такое объяснение существует и темные частицы никак не связаны с обычными (кроме как гравитацией). И тогда все наши попытки измерить их свойства в лаборатории по большому счету бессмысленны. Но такое объяснение, даже если оно будет найдено, вряд ли будет естественным.
— Если темный мир все-таки связан со светлым, как его можно исследовать?
— Есть несколько способов детектировать темную материю. Во-первых, косвенные, астрономические, о которых я уже говорил. Они показывают, что темная материя есть.
Во-вторых, так называемые непрямые поиски темной материи. В стандартных космологических моделях предполагается, что частицы темной материи могут распадаться или аннигилировать друг с другом так, что при этом рождается видимая материя. Непрямой способ обнаружения — это искать продукты распада или аннигиляции темной материи в космических лучах — большом потоке обычных материальных частиц, которыми наполнен космос. Проблема заключается в том, что существуют стандартные, астрофизические способы создания космических лучей. И нужно уметь отделять от этого астрофизического фона тот продукт, что получается в результате аннигиляции темной материи.
В-третьих, есть эксперименты по прямому детектированию, в которых ищут следы упругих столкновений частиц темной материи с обычными атомами. Смотрят на отдачу этих атомов в результате столкновений, какие-то сцинтилляции, когда частицы темной материи ударяют по этим атомам. Ну и, наконец, есть надежда, что на LHC, Большом адронном коллайдере, в столкновениях протонов можно будет просто создавать частицы темной материи, как-то детектировать их и исследовать их свойства.
Непрямые поиски
— Ваши основные работы как раз посвящены непрямым поискам темной материи, в частности эксперименту PAMELA. Не могли бы вы рассказать о нем подробнее?
— PAMELA (англ. Payload for Anti-Matter Exploration Light nuclei Astrophysics, оборудование для исследований антиматерии и астрофизики легких ядер) — это детектор, установленный на спутнике (российском аппарате «Ресурс-ДК». — Infox.ru), который ловит разные космические лучи — протоны, электроны, фотоны и так далее.
Особенность оборудования PAMELA в том, что оно может определять заряд частиц до очень высоких энергий; далеко не все эксперименты на спутниках или высотных воздушных шарах могут отличать заряженные частицы от их противоположно заряженных античастиц. Участники проекта PAMELA измерили поток позитронов, то есть антиэлектронов, и посчитали долю античастиц в общем потоке электронов и позитронов.
И получилось вот что. В стандартной теории отношение позитронов к электронам должно с энергией убывать. Позитроны в стандартной теории рождаются в основном в столкновениях протонов, которых в космических лучах большинство. Число протонов с ростом энергии убывает, а значит, с ростом энергии должно убывать и число рождаемых ими позитронов.
А в результатах PAMELA начиная с некоторой энергии, порядка 10 ГэВ, отношение числа позитронов к электронам возрастает, античастиц становится все больше. И вот это можно интерпретировать как результат аннигиляции или распада частиц темной материи.
— Существуют ли более прозаические объяснения и как отличить одно от другого?
— Основное альтернативное, консервативное объяснение — это астрофизические источники, то есть какие-то стандартные для астрофизики процессы.
В любом случае источник этих частиц должен находиться относительно недалеко. Дело в том, что позитроны очень быстро теряют энергию в магнитном поле Галактики. Расстояния, которые могут пролетать позитроны с энергией в десятки ГэВ, это несколько килопарсеков.
— И какие источники могут находиться так близко?
— Для темной материи это ограничение не беда, потому что она — везде и легко может быть источником таких позитронов. А вот круг астрофизических объектов, способных разогнать частицы до таких высоких энергий, резко сужается. Расстояние до центра нашей Галактики — 8 килопарсеков, до ближайших других галактик — десятки и сотни килопарсеков. При этом все объекты, которые могут создавать частицы высоких энергий, должны быть видны. Наблюдения сейчас уже на достаточно высоком уровне, а делать частицы высоких энергий втихаря вряд ли возможно.
По моему мнению, это оставляет лишь одну астрофизическую альтернативу темной материи — пульсары. Пульсар — это нейтронная звезда, у которой очень большое магнитное поле и быстрое вращение. В общем, сложная система. Это очень плотный объект, массой в полтора раза больше Солнца, а размером всего 10 км. При этом у него очень сильное магнитное поле, порядка 1012 Гс, то есть в десятки миллионов раз сильнее, чем у самых мощных магнитов, которые есть на Земле. И все это крутится с периодом порядка 1 секунды.
Быстро вращающееся магнитное поле создает очень сильное электрическое. Вместе они могут рождать пары электронов и позитронов и разгонять их до очень больших энергий.
— И какой вывод вы сделали, сравнив темную материю и пульсары в качестве потенциальных источников?
— Вывод был в том, что на данный момент и темная материя, и пульсары могут быть источниками энергичных позитронов, которые фиксирует PAMELA. Чтобы разобраться с этим вопросом, нужны какие-то новые эксперименты, новые наблюдения, нужно лучше понимать, как позитроны рождаются и ускоряются в пульсарах и как они распространяются по Галактике.
— А нельзя просто посмотреть, откуда прилетают энергичные электроны и позитроны?
— PAMELA видит, с какой стороны в нее врезаются электроны и позитроны, но это ничего не говорит о том, где их источник. Пути заряженных частиц очень быстро запутываются в хаотическом магнитном поле Галактики, и разобрать, откуда они прилетели, невозможно.
Что касается направлений прихода, более интересно посмотреть на незаряженные частицы, нейтрино. Они также могут рождаться при аннигиляции темной материи, но на них магнитное поле не влияет. Еще лучше — фотоны, кванты света. И такие данные есть, они получены спутником Fermi и были опубликованы в августе.
Сама команда Fermi не стала публиковать анализ этих данных, но его сделали другие люди. Они нашли, что в центре Галактики действительно есть гало, из которого приходит много фотонов высоких энергий — больше, чем предсказывается в рамках стандартной физики. Более того, форма этого гало из фотонов очень близко напоминает то, что ожидается от аннигиляции темной материи.
— Так что, Fermi и PAMELA удалось увидеть темную материю?
— Не обязательно. Наша Галактика состоит не только из диска, в котором, в частности, обращается наша Солнечная система, но и из звездного гало. И кроме звезд в нем есть так называемые миллисекундные пульсары, которые тоже могут излучать фотоны высоких энергий. Так что полной ясности результаты непрямых поисков что PAMELA, что Fermi пока не дали.
Столкновение с темным
— А прямые поиски? Как работают такие эксперименты? Какова их основная идея?
— Смысл этих экспериментов прост. Если темная материя может аннигилировать в частицы обычного вещества, то просто из законов квантовой теории поля следует, что частица темной материи может рассеиваться на обычных частицах: если взаимодействие есть, то соответствующие процессы должны идти в разных направлениях.
В некоторых теориях масса частиц темной материи предполагается порядка сотни атомных единиц, то есть примерно такой, как масса ядер тяжелых элементов, например германия, ксенона и так далее. А когда сталкивающиеся частицы имеют примерно одинаковую массу, возрастает эффективность рассеяния, передачи энергии при столкновении.
Если собрать очень большой объем вещества — так, чтобы оно было очень чистым, чтобы не было никаких радиоактивных элементов, изолировать его, чтобы внутрь не попадали космические лучи, то [с помощью такой установки] можно искать темную материю. Когда частица темного вещества ударит в ядро, оно получит большой импульс и полетит в сторону и при этом может как-то проявить себя, например ионизировать окружающие атомы.
Например, мы полгода смотрим на какой-то объем вещества, и оно полгода остается темным. И вдруг в какой-то момент происходит его спонтанная ионизация, и мы видим или вспышку, или какой-то трек. Это было бы признаком того, что темная материя ударила в атомное ядро.
— В последнее время было много шума вокруг эксперимента CDMS — то ли он обнаружил темную материю, то ли нет…
— В CDMS (англ. Cryogenic Dark Matter Search, «криогенный поиск темной материи») как раз и ищут примерно такие события, удары темных частиц по ядрам атомов германия и кремния. И совсем недавно участники эксперимента обнародовали свои результаты. После того как они вычитают всевозможный фон (который там все же есть, совсем от фона избавиться не получается), два события все равно у них остаются.
Два события — это, конечно, статистика очень маленькая. Поэтому они скорее дают надежду на будущее. Это еще не точно темная материя, но это уже хороший знак.
— А по тем событиям, которые они зафиксировали, можно уже что-то сказать о физике темной материи?
— Частота событий говорит нам о сечении взаимодействия частиц темной и обычной материи — грубо говоря, о связи обычной физики и физики темной. По отдаче, которую получают обычные частицы и которую мы можем измерить, можно оценить массу, энергию и импульс частиц темной материи.
Но эти эксперименты, конечно, не так чувствительны. Можно ограничить какие-то параметры каких-то моделей, но многих свойств темной материи отсюда не вытянуть, понять, какова ее структура, невозможно.
Самый интересный эксперимент в этом плане, конечно, LHC, Большой адронный коллайдер (БАК). Предполагается, что там можно будет эти частицы создавать, как-то контролировать их параметры. Здесь уже можно будет получить намного больше информации.
— А как вообще может быть устроен этот темный мир? Могут ли там быть какие-то новые, неизвестные нам взаимодействия? Своя сложная структура? Темные силы, темные атомы, темные молекулы?
— Тут, конечно, простор для фантазии огромный. В принципе можно вводить и какие-то «темные силы», действующие исключительно между частицами темной материи. Это даже может быть естественным в каких-то моделях, но… Это будет очень сложно проверить. Надежда сейчас на то, что в ближайшем будущем какие-то эксперименты смогут сказать что-то более конкретное.
– На что именно надо надеяться? Какие эксперименты нужны, чтобы получилась чуть-чуть больше ясности?
— Больше всего надежд, конечно, на LHC. Надежд, что они найдут какие-то новые частицы. Прямые эксперименты, наверное, лучше всего и быстрее всего смогут доказать существование частиц, которые участвуют в каких-то новых взаимодействиях. Правда, каких-то подробностей об этом новом, наверное, не стоит ждать и от них.
— То есть мы можем еще надолго остаться в неведении об этой новой физике?
— Может быть. Будем ждать.
