Вселенная на ощупь: зачем запущен крупнейший детектор темной материи
Международная команда ученых успешно протестировала LUX-ZEPLIN — крупнейший в мире детектор частиц, из которых, согласно популярной гипотезе, состоит темная материя. Эти гипотетические частицы называются вимпами, от английской аббревиатуры WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), то есть «слабовзаимодействующие массивные частицы».
Инструмент должен фиксировать столкновения вимпов с атомами жидкого ксенона. Работа предыдущих детекторов такого типа была безрезультатной, но, возможно, лишь потому, что они были недостаточно велики. Столкновения вимпов с атомами должны быть очень редкими, поэтому масса ксенона имеет значение. Она поэтапно увеличивалась от детектора ZEPLIN с его 12 кг ксенона (закончил работу в 2012 году) до детектора XENON1T (2018 год и 3,5 т ксенона). Мишень LUX-ZEPLIN содержит рекордные 7 т жидкого ксенона.
Успех этого проекта стал бы крупнейшим триумфом науки. Однако многие эксперты сомневаются, что темная материя состоит именно из тех частиц, которые ищет LUX-ZEPLIN, а некоторые — и в том, что она вообще существует.
Взвешивание галактик
Что такое темное материя? У астрономов есть два способа измерить массу галактики — по излучению и по гравитации. Звезды испускают свет, а межзвездный газ — радиоволны. По интенсивности этого излучения можно судить об общей массе вещества. С другой стороны, массу галактики можно вычислить по ее гравитационному притяжению. Величина этого тяготения определяется по движению звезд в галактиках, галактик в скоплениях, искривлению лучей света и другим эффектам.
Проблема в том, что гравитационный дебет упорно не сходится с излучательным кредитом. Вещества, видимого в телескопы (оптические или какие угодно), слишком мало, чтобы обеспечить нужную гравитацию. Эта проблема была широко осознана еще в 1970-х годах, но не решена до сих пор.
Есть два возможных решения. Первый вариант — переписать закон тяготения так, чтобы вся гравитация порождалась видимой материей. Второй путь — заключить, что в галактиках присутствует скрытая масса, она же темная материя. Это вещество, которого мы не видим, но знаем о нем благодаря его тяготению. Оба подхода имеют сторонников среди физиков и астрономов, но большинство все-таки склоняется к существованию темной материи.
Переписывая классиков
Записать новый закон всемирного тяготения и встать в один ряд с Ньютоном и Эйнштейном, конечно, соблазнительно. Такие модели называются модифицированной ньютоновой динамикой (modified Newtonian dynamics, или MOND). Но у всех теорий MOND, а их предложено уже предостаточно, есть серьезные проблемы.
Во-первых, большинство MOND объясняет только орбиты звезд в галактиках, но не другие проявления гравитации темной материи (движение галактик в скоплениях, искривление лучей света и т.д.).
Во-вторых, и с движением звезд не все гладко. Допустим, что гравитирует только видимая материя. Тогда гравитация должна определяться массой этой материи и ее распределением в пространстве. Этот закон может быть не ньютоновским и не эйнштейновским, но он обязан быть однозначным. Однако наблюдения за сотнями галактик показывают, что жесткой связи между этими величинами нет. Даже если принять во внимание все известные погрешности, получается лишь статистическая корреляция, а не однозначный закон.
В-третьих, есть ситуации, когда влиянием темной материи можно пренебречь. Например, когда речь идет о движении не целых галактик, а лишь двух-трех тесно расположенных звезд или черных дыр. В таких условиях эйнштейновская теория гравитации работает безупречно, а вот MOND, как правило, плохо.
Наконец, даже если найдется MOND-теория, удовлетворяющая всем наблюдательным данным, вопросы на этом не закончатся. Физика предъявляет жесткие требования к устройству физических полей — гравитационных или каких угодно. Это не каприз теоретиков, а результат многовекового опыта изучения природы. Теории MOND им, как правило, не удовлетворяют. Принять такую теорию — значит сломать самые глубокие представления о физических законах.
Подведем итог. Альтернативные теории гравитации создаются, чтобы «отменить» темную материю. Но и с этой задачей они справляются плохо. Кроме того, худо-бедно заменяя собой темную материю там, где она есть, они начинают «врать» там, где ее пренебрежимо мало. То есть решая (плохо) проблему в одном месте, они создают ее в другом. И, наконец, они не особенно согласуются с выстраданными наукой представлениями о структуре физических законов.
Ничего удивительного, что большинство специалистов относятся к этим идеям скептически. Но не исключено, что теорию гравитации однажды все-таки придется пересмотреть. Хотя это было бы куда большей революцией в науке, чем открытие темной материи.
Вглядываясь в бездну
Итак, большинство экспертов склоняются к существованию в галактиках невидимого вещества. Тогда возникает вопрос, почему мы его не видим ни в каком диапазоне, от гамма-лучей до радиоволн. Тут есть два варианта. Либо у нас недостаточно чувствительные телескопы, либо эта материя принципиально невидима.
Первая идея выглядит проще. Астрономам известны небесные тела, которые почти невозможно заметить. Это, например, черные дыры или коричневые карлики. Более того, несколько раз астрономы открывали новые классы таких объектов. Так случилось с горячим межгалактическим газом (суммарная масса которого, к слову, намного превосходит массу галактик) и с «неудавшимися галактиками», где не началось образование звезд. И вообще, было бы самонадеянно полагать, что наши инструменты столь хороши, что им доступна вся материя во Вселенной.
Проблема заключается в том, что темной материи слишком много — в несколько раз больше, чем видимой.
Обычная материя состоит из атомных ядер и электронов — либо в виде атомов, либо в виде плазмы. У космологов есть детальные модели процессов, происходивших, когда во Вселенной возникли первые атомные ядра (первые минуты после Большого взрыва) и когда они объединились с электронами в первые атомы (спустя сотни тысяч лет). И эти модели говорят, что сегодня в галактиках просто не может быть столько атомов или ядер, сколько в них темной материи.
Есть трудности и с образованием самих галактик. По нынешним представлениям, первичное вещество было очень однородным. Но гравитация собирала материю в сгустки, из которых возникли галактики. Причем произошло это очень быстро по космическим меркам. Древнейшие галактики возникли уже в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва. Такую скорость трудно объяснить. Но ученых выручает одна гипотеза.
Они предполагают, что темная материя имеет особые свойства. Ее частицы, в отличие от атомов или их ядер, не способны сталкиваться друг с другом. Поэтому темная материя создает гравитацию, сжимающую протогалактику, но не давление, противостоящее этому сжатию. А поскольку на темную материю приходится большая часть массы, комок сжимается достаточно быстро. Но эта спасительная идея несовместима с мыслью, что темная материя — это обычное вещество: у него должно быть давление.
Поэтому многие специалисты полагают, что обычное (или, как ее еще называют, барионное) вещество составляет лишь небольшую часть темной материи. А все остальное состоит из совсем других частиц.
Однако полной уверенности в этом нет. И теории образования вещества, и модели формирования галактик нельзя назвать абсолютно надежными. В них есть шероховатости, за которыми, быть может, скрываются глубокие неувязки. А самое важное, эти теории опираются на наблюдательные данные. Любые наблюдения подвержены погрешностям и искажениям. В астрономии их избежать особенно трудно. Мы ведь не можем подлететь к нужной галактике поближе или, скажем, снять ее с другого ракурса. Наблюдатели прилагают все усилия, чтобы выдать «чистый» результат, но всегда нужно считаться с возможностью, что они чего-то недоучли. Поэтому не исключено, что никаких особых частиц темной материи в природе не существует.
Призрачные частицы
Но что, если большая часть темной материи действительно состоит из особых частиц? Эти частицы стабильно существуют миллиарды лет. Они невидимы, потому что не взаимодействуют со светом или любым другим излучением. Они не сталкиваются друг с другом (этого требует теория образования галактик). Масса такой частицы ненулевая, а значит, она обладает гравитацией. Но если не считать гравитации, они почти или совсем не взаимодействуют с атомами обычного вещества, иначе мы бы это давно заметили. А раз не взаимодействуют, то могут ежесекундно в каком угодно количестве пронизывать все окружающие предметы и нас самих.
В экспериментах наблюдался только один вид частиц, подходящий под это описание. Это нейтрино. Но масса нейтрино слишком мала, поэтому они не годятся на роль темной материи. Остаются лишь гипотетические частицы, никогда еще не наблюдавшиеся.
Теоретики придумали изрядное количество таких частиц. Вимпы кажутся наиболее перспективными кандидатами, но есть и множество других. Однако никто не знает, существуют ли в действительности хоть какие-то из них.
Поиск наугад
Годы безуспешных поисков на все более мощных и дорогих установках — не новость для физики. Так обстояло дело и с бозоном Хиггса, и с гравитационными волнами. Усилия увенчались успехом, как только ученые получили инструменты нужного уровня: Большой адронный коллайдер в одном случае и детектор LIGO — в другом. Так что безуспешность поиска вимпов на предыдущих детекторах еще ни о чем не говорит.
Но есть нюанс. Существование бозона Хиггса и гравитационных волн следовало из хорошо проверенных теорий (теории электрослабого взаимодействия и общей теории относительности соответственно). Эти теории сделали множество предсказаний, подтвердившихся в менее сложных экспериментах. Поэтому не было особых оснований сомневаться и в этих прогнозах.
С вимпами, равно как и другими гипотетическими частицами темной материи, ситуация иная. Предсказывающие их теории заманчивы, но у них нет солидного экспериментального багажа. Значит, они вполне могут оказаться неверными. Отбрасывание ошибочных теорий — такая же часть научного поиска, как и подтверждение успешных.
Вполне возможно, что никаких вимпов не существует. Как и аксионов, которые ищет другой детектор, ADMX. Темная материя может состоять из частиц, предсказанных не столь популярными теориями. Или вообще не предусмотренных никакими теориями. А может быть, и нет никаких особых частиц, а есть обычное тусклое вещество и недостатки космологических моделей. Наконец, не исключено, что правы сторонники MOND и темной материи вообще нет ни в каком виде.
В этом смысле проект LUX-ZEPLIN очень рискованный. С другой стороны, потраченные на него $55 млн — не столь уж большая сумма по сравнению со стоимостью какого-нибудь межпланетного зонда. К разгадке одной из величайших тайн Вселенной приходится продвигаться буквально на ощупь, и тут едва ли можно обойтись без рискованных затрат.