Знание-сила, 2006 № 08 (950)

В современной физике новые частицы иногда открываются не в экспериментах, не в ускорителях, а «на кончике пера». В данном случае, одна из новых частиц, предсказываемых теорией суперсимметрии, имеет прямое отношение к нашему рассказу о темном веществе. Частица эта — нейтралино. Она не имеет электрического заряда (отсюда ее название — НЕЙТРА-лино). Эта частица существует в нескольких видах, отличающихся массой. Обычно, когда говорят «нейтралино», имеют в виду самое легкое из разных «нейтралин», но даже оно тяжелее атома водорода — и притом тяжелее в 1000 и более раз.

Нейтралино — очень массивная частица, но в силу отсутствия у нее заряда она, в отличие от атомов обычного вещества, не взаимодействует со светом (то есть с электромагнитным полем). Вообще, она очень слабо взаимодействует с обычными частицами и всеми другими суперпартнерами. В этом отношении она очень похожа на нейтрино, только по массе является полной противоположностью: масса нейтрино практически равна нулю. Поэтому нейтрино проходят огромные слои вещества, почти не взаимодействуя с его атомами, а массивное нейтралино хоть немного, но оставляет за собой след такого взаимодействия — ядра атомов, задетые этой частицей, будут слегка отклоняться со своего пути. (Взаимодействуй нейтралино с обычным веществом чуть сильнее, и оно проходило бы сквозь него, как танк, оставляя за собой сплошные обломки и развалины.) Ученые рассчитывают обнаружить нейтралино с помощью такого рассеивания атомных ядер при прохождении этой невидимой частицы. Но пока что им это не удалось.

Большая масса нейтралино означает, что при их создании (на первых этапах жизни Вселенной) основная часть затраченной на это энергии пошла на их массу, а не на скорость; поэтому все нейтралино движутся медленно, они как бы имеют низкую температуру (чем меньше температура, тем медленнее движение, и наоборот). Иными словами, нейтралино — это «холодные» частицы. Напротив, малая масса нейтрино означает, что эти частицы движутся быстро — и действительно, согласно измерениям, скорость нейтрино близка к скорости света; стало быть нейтрино — это «горячие» частицы. Сходство их — только в том, что и тс, и другие практически не взаимодействуют с обычным веществом. Поэтому столкновения с электронами или фотонами не MOiyr возбудить эти частицы, а следовательно — не могут заставить их светиться. Если бы вся Вселенная состояла только из нейтралино, это была бы темная и «холодная» (состоящая из медленных частиц) Вселенная; если бы она вся состояла из нейтрино, это была бы темная и «горячая» Вселенная. Таким образом, любое большое (в галактических масштабах) скопление нейтралино должно представлять собой невидимую, но массивную область, способную оказывать воздействие на движение галактики как целого.

Но это — как раз те признаки, которыми мы выше охарактеризовали «темное вещество». Поэтому можно с полным основанием сказать, что фактически теория суперсимметрии предсказывает существование темного вещества и объясняет, из чего оно состоит. Остается лишь проверить это объяснение, то есть найти нейтралино в эксперименте. Однако энергии существующих ускорителей недостает, чтобы создать массивное нейтралино, и астрофизики возлагают надежды на непрямые доказательства. Как мы уже говорили, недавно такие указания как будто появились. Приборы, улавливающие потоки гамма-лучей, установленные на спутнике Европейского космического агентства, обнаружили такие потоки, которые можно объяснить только процессами столкновения и взаимного уничтожения очень тяжелых суперчастиц и анти-суперчастиц в центре нашей галактики. Возможно, это и есть искомые нейтралино, причем даже не самые легкие из них.

Другим кандидатом на роль главной составляющей темного вещества является так называемый «аксион». Существование этой экзотической частицы, тоже отсутствующей в «стандартной модели», предсказывается другой новой теорией, а именно — теорией «сильного», или кваркового, взаимодействия (той самой, за которую недавно была присуждена очередная Нобелевская премия по физике). А именно, кварки, из которых состоят частицы атомного ядра — протоны и нейтроны, — располагаются в этих частицах так, что электрически нейтральный нейтрон должен на самом деле представлять собой слабый электрический диполь. Так называют систему, состоящую из положительного и отрицательного зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга: система в целом электрически нейтральна, но поскольку заряды сдвинуты один относительно другого, их электромагнитные поля не компенсируются полностью и система в целом имеет небольшое «дипольное» поле. Благодаря этому она способна излучать электромагнитные волны, если ее заряды то сближаются, то отдаляются. Эксперименты, однако, показали, что дипольное поле нейтрона много меньше, чем предсказывается теорией сильного взаимодействия. Чтобы сохранить теорию (а она очень хорошо объясняет многие другие явления), оказалось необходимым постулировать существование особой частицы, которую назвали аксионом.

Сохранение теории сильного взаимодействия требует определенных свойств аксиома. В свободном пространстве он должен иметь очень малую массу (примерно в 1000 раз меньше массы электрона). Хотя и нейтральный, он в то же время должен быть способным взаимодействовать с сильными магнитными полями, быстро распадаясь на два высокоэнергичных фотона, соответствующих ренгтеновскому диапазону электромагнитного спектра. Проще говоря, в сильном магнитном поле аксион должен распадаться, выбрасывая два ренгтеновских луча. В области с очень большой гравитацией — например, близко к поверхности звезд — могут существовать более массивные, но зато очень коротко живущие аксионы. Их распад в магнитном поле звезды должен сопровождаться нагревом внешней части звезды, ее «атмосферы», до очень высоких температур. Не этим ли объясняется загадка высоконагретой (свыше 1 миллиона градусов) «короны», окружающей наше Солнце?

Поскольку в отсутствие магнитных полей аксионы не взаимодействуют с обычным веществом, их скопления, возникшие на ранних этапах жизни Вселенной, тоже могут претендовать на роль «темного вещества». Но вблизи галактического центра, где наверняка существуют сильнейшие магнитные поля, должен идти непрерывный распад тяжелых аксионов с таким же непрерывным выбрасыванием ренгтеновского излучения. И действительно — в последнее время такое рассеянное ренгтеновское излучение, идущее из галактического центра, уже обнаружено. Но вызвано ли оно аксионами, пока сказать нельзя.