Коллектив авторов - Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной [litres]

Но вскоре положение дел может измениться. Важного прорыва можно ожидать с разных научных фронтов, ведь прямыми поисками темной материи занимаются в глубоких шахтах, а косвенно к ее открытию могут привести открытия, сделанные на космических телескопах или на Большом адронном коллайдере. Действительно ли участники экспериментов CoGeNT и DAMA/LIBRA обнаружили частицы темной материи? Может быть, темная материя рождает те гамма-лучи из центра нашей Галактики, которые наблюдал космический телескоп Ферми? Единого мнения по этому вопросу пока не существует, но время и новые научные данные все расставят по своим местам.

Если темная материя на самом деле состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц, похожих на частицы, предсказываемые теорией суперсимметрии, успех не за горами. С другой стороны, если за ближайшие 10 лет не удастся обнаружить подобные сигналы, то ученым придется расстаться со своими гипотезами о темной материи и создавать новые. Возможно, темная материя полностью инертна и вообще не взаимодействует с обычным веществом. Если это так, ее никогда не удастся обнаружить, какие бы эксперименты ни придумывали физики. Такой исход – самый большой кошмар для всех охотников за темной материей.

Есть ли у темной материи свои собственные «темные силы»? Единственный способ найти их – объявить на них охоту, говорит Тим Нельсон, физик из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) в Менло-Парк (штат Калифорния, США).

Почему вы думаете, что существует пятая сила?

Мы хорошо знаем о четырех фундаментальных силах в физике, ответственных за гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное взаимодействие. Но по-прежнему существует шанс, что есть еще одна сила, которую мы пока еще не замечаем, возможно, потому, что она слишком слабая. Долгое время ученые стремились найти эту новую силу. В настоящее время основной целью является поиск таких сил, которые действуют в основном на темную материю. Я вдохновлен такой идеей: точно таким же образом, как нормальная материя состоит из частиц, на которые действуют различные силы, темная материя представляет собой самую легкую и наиболее стабильную составляющую еще не открытого «темного сектора» частиц и сил.

Каковы причины полагать, что этот темный сектор существует?

У нас все больше оснований так считать. Мы знаем, что темная материя существует и что она взаимодействует гравитационно – иными словами, обладает массой – и что значительное количество ее воплощено в частицах особого типа. Ученые ухватились за идею, что темная материя в основном состоит из частиц, называемых слабо взаимодействующими массивными частицами. Но поиски этих частиц, например с помощью подземных детекторов и Большого адронного коллайдера, ни к чему не привели, и мы покидаем те апартаменты, где мы могли бы их обнаружить. Тогда, если темная материя – это не просто слабо взаимодействующие массивные частицы, то остается вероятность того, что это различные типы темных частиц, взаимодействующих друг с другом с помощью особого набора своих собственных сил.

Означает ли это, что темная материя может быть весьма разнородной?

Да. Стандартная модель физики элементарных частиц оперирует со множеством частиц, включая фотон, который является переносчиком электромагнитного взаимодействия. Эта обычная материя составляет только одну шестую часть всего вещества во Вселенной. Все остальное – темная материя, так почему бы ей не быть разнородной? Если вы откроете эту концептуальную дверь, перед вами откроются врата новых возможностей. Но с чего-то надо начинать, и давайте рассмотрим самый простой на данный момент вариант: «темная сила» аналогична электромагнетизму. Отсюда появляется термин «темные фотоны».

И как вы собираетесь охотиться за темными фотонами?

Согласно теории темные фотоны смешиваются с обычными фотонами в процессе, который называется кинетическим смешиванием. Это означает, что темный фотон может превратиться в обычный, и наоборот. Но, скорее всего, это происходит очень-очень редко. Итак, в принципе, если вы проводите эксперимент, в котором выделяется много высокоэнергетических фотонов, вы также получите некоторое незначительное количество темных фотонов.

Как можно выделить темные фотоны?

Темные фотоны не могут быть безмассовыми, как обычные. Если бы они были безмассовыми, это противоречило бы нашему пониманию того, как ведет себя темная материя. Фактически они могут иметь массы в широком диапазоне. Это означает, что хотя мы и не можем непосредственно увидеть темные фотоны, мы можем охотиться за ними так же, как и за всеми частицами, которые имеют массу.

Вы уже работаете над этим?

Да, в нашем эксперименте «Поиск тяжелых фотонов» в лаборатории Джефферсона (Thomas Jefferson National Accelerator Facility) мы используем пучок электронов с высокой энергией, облучая им вольфрамовую фольгу. Когда электроны внезапно сталкиваются с препятствием, мы получаем тормозное излучение. Тормозное излучение – это в основном поток фотонов, и, если темные фотоны существуют, они также будут присутствовать в этом излучении, но в гораздо меньшем количестве. Что случится потом, зависит от того, являются ли темные фотоны самыми легкими частицами «темного сектора». Наш эксперимент предполагает, что это так и есть, а это означает, что они должны распадаться в результате кинетического смешивания с образованием частиц обычной материи, таких как электрон-позитронные пары. А их мы можем обнаружить.

А если темные фотоны тяжелее, чем вы думаете?

Мы предполагаем, что основная часть темной материи состоит из ее самых легких частиц. Если же темный фотон не является самой легкой частицей «темного сектора», то вместо того, чтобы распадаться с образованием обычного вещества, он с таким же успехом останется после распада в царстве темной материи. Это значит, что мы не увидим его в наших экспериментах, но это приведет к некоторым интересным возможностям. Если я проведу эксперимент с толстой вольфрамовой мишенью и создам пучок темных фотонов, которые будут двигаться достаточно быстро, а они распадутся с образованием частиц темной материи, это будет означать, что я создал пучок частиц темной материи. Мы потеряем способность обнаруживать темные фотоны, но приобретем способность обнаруживать саму темную материю. Беспроигрышный вариант.

Расскажите нам еще немного о пучке темной материи.

Самое замечательное в этом то, что такой пучок будет давать частицы темной материи с высокой энергией. Эксперименты по непосредственному обнаружению темной материи, такие как LUX и CDMS , призваны открыть темную материю, бороздящую нашу Галактику на относительно низких скоростях. Когда частицы темной материи ударяются о детектор, они добавляют очень маленькое количество энергии, которое нам очень трудно зафиксировать. Вот почему нам приходится помещать наши детекторы в глубокие шахты – окружающая почва надежно экранирует их от помех. Но если бы у меня был высокоэнергетический пучок темной материи, я мог бы его направить на стандартный детектор элементарных частиц.