Сергей Парновский - Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Основное достоинство слабого линзирования состоит в том, что, в отличие от сильного линзирования, оно происходит всегда. При рассмотрении слабого гравитационного линзирования с z-фактором больше 0,1 уже необходимо принимать во внимание космологические эффекты. Поэтому по данным слабого гравитационного линзирования можно получить ограничения на значения космологических параметров. Таким образом, слабое гравитационное линзирование служит своеобразным мостом между исследованиями темной материи на масштабах галактик и скоплений и на космологических масштабах.

Теперь можно перейти к естественно возникающему вопросу о том, что из себя представляет небарионная темная материя. Существует экстравагантная гипотеза о том, что в качестве темной материи может выступать большое количество черных дыр небольших масс, которые проявляют себя только гравитационно. Эта гипотеза не получила сколь-либо широкого распространения, и мы упоминаем о ней только потому, что это – практически единственный вариант, когда темная материя состоит из макроскопических объектов. Во всех остальных случаях считается, что она должна состоять из каких-то массивных частиц. Поскольку она не может состоять из барионов, а все остальные более массивные известные элементарные частицы нестабильны, речь может идти только о неоткрытых до сих пор частицах.

Единственное, что нам известно об этих частицах, – это их название. Дело в том, что в науке принято давать названия гипотетическим объектам просто для удобства. Частицы, из которых состоит небарионная темная материя, получили название WIMP – weakly interacting massive particles, т. е. слабо взаимодействующие массивные частицы. В русском языке нет официального термина для этих частиц, но в разговорной речи космологи используют слово «вимп», являющееся калькой с английской аббревиатуры WIMP. В этой книге мы за неимением лучшего будем также использовать этот термин. Забавно, что эта аббревиатура по написанию и произношению совпадает с английским словом «wimp», имеющим значения «слабак», «тряпка» и т. п. в значении «нерешительный, бесхарактерный, не проявляющий себя человек». Хотя нет никаких указаний на этимологическую связь между этими словами, вимпы как частицы несомненно соответствуют слову «wimp» в том смысле, что не проявляют себя. Естественно, после появления этого термина появились и производные от него. Например, в одной из научных статей, где рассматривалась гипотеза о том, что вимпы более массивны, чем это предполагается, эти частицы были названы «вимпзилла» (от вимпов и Годзиллы).

Хотя термин «вимп» уже устоялся, можно придраться к двум вещам. Во-первых, к словам «слабо взаимодействующие». Дело в том, что если речь идет о слабом взаимодействии в том смысле, как это понимается в физике элементарных частиц, то нет уверенности, что темная материя способна к такому типу взаимодействия. Как мы уже писали выше, рассматривается также возможность того, что темная материя является зеркальной, т. е. способной только к гравитационному взаимодействию. Во-вторых, термин может неявно предполагать, что существуют вимпы только одного сорта. Вообще говоря, это ни откуда не следует, и надо понимать, что термин «вимп» может применяться к совершенно разным частицам. При этом ряд авторов используют термин «вимп» в узком смысле, понимая под ним частицы, имеющие вполне определенный диапазон масс в районе 100 ГэВ (порядка массы атома серебра) и сечение рассеяния, характерное для слабого взаимодействия; другие, включая нас, используют этот термин в широком смысле, понимая под ним любые частицы – кандидаты на темную материю. Существует и промежуточный вариант, когда вимпами называют только кандидатов, не имеющих собственного названия. Например, гипотетические частицы аксионы в первом и третьем смыслах не являются вимпами; мы же не будем проводить различия между неоткрытыми частицами.

Физика полей и частиц выработала массу гипотез и теорий, предсказывающих существование частиц, которые могли бы претендовать на роль вимпов, например аксионы, гравитино, фотино, нейтралино, массивные экзотические нейтрино и многие другие. Мы не будем останавливаться на различиях между этими частицами, поскольку сейчас нет никаких оснований предпочесть одни из них другим. Более подробно об этих частицах можно прочитать в обзоре (Петер, 2012). Практически единственное, что можно сказать о вимпах, – это то, что они не могут иметь очень маленькую массу покоя, поскольку иначе они бы не подпадали под определение холодной материи. Теоретически могли бы существовать частицы с малой массой покоя, которые родились холодными и взаимодействовали настолько слабо, что до сих пор не успели разогреться. Такими частицами могут быть аксионы с массой покоя около 0,02 эВ. Даже более массивные нейтрино, имеющие, по последним данным, массу покоя менее 2 эВ, в ранней Вселенной вынуждены были двигаться со скоростью, близкой к скорости света. К настоящему моменту они замедлились до примерно одной сотой скорости света. Содержание же нейтрино во Вселенной не превышает 1,3 %. Поэтому большинство исследователей склоняются к мысли, что масса вимпов должна существенно превышать массу нейтрино. А так как частицы с массами порядка массы протона легко получаются на ускорителях, то масса вимпов, скорее всего, также должна быть существенно больше массы нуклонов.

Во всех описанных выше методах темная материя характеризовалась исключительно своей массой. Для того чтобы исследовать ее состав и свойства, нужно измерить параметры еще хотя бы одного взаимодействия с ее участием. Как следует из определения темной материи, такое взаимодействие может быть только слабое. Поэтому в случае, если темная материя является зеркальной, нет возможности прямого определения ее состава. Однако возможны косвенные подтверждения. Теории, предсказывающие существование стерильного нейтрино, дают немного другие предсказания, которые можно проверить. Наконец, если какая-то из теорий сможет правильно предсказать, например, плотность темной материи, связав ее с иными параметрами, это будет свидетельствовать в пользу ее существования.

Если же речь идет о вимпах, способных испытывать слабое взаимодействие, то можно попытаться наблюдать эти реакции в лаборатории. Определить параметры вимпов в таком прямом эксперименте было бы наиболее надежным способом. В случае, если никаких реакций не будет обнаружено, это позволит установить верхний порог сечения слабого взаимодействия вимпов. Ситуация в чем-то похожа на ту, с которой имели дело специалисты по элементарным частицам, когда пытались обнаружить в экспериментах воздействия нейтрино, приходящих из космоса, например образующиеся при термоядерных реакциях на Солнце. Для того чтобы на эксперимент не влияли космические лучи, имеющие меньшую проникающую способность, чем нейтрино, эксперименты проводили под землей в шахтах или туннелях, нередко под горными массивами.