Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

Лучшим доказательством того, что нейтрино имеют массу, стал эксперимент «Камиоканде» в Японии. В нем использовали огромный резервуар в форме цилиндра, размещенный в бывшей цинковой шахте. Экспериментаторы изучали нейтрино, идущие от Солнца, где они являются побочным продуктом ядерных реакций в центральной зоне, а также и другие нейтрино, которые генерируются очень быстрыми частицами (космическими лучами), попадающими в верхние слои атмосферы Земли. Эксперименты показали ненулевую массу нейтрино, возможно не такую значительную, чтобы сделать их весомой составляющей темной материи {12} 12 Это доказательство на самом деле говорит нам о разнице квадратов масс двух различных видов нейтрино. Более ранний вариант эксперимента «Камиоканде» записал данные 11 событий, связанных с высокоэнергетическими нейтрино от появившейся в 1987 г. неподалеку от нас сверхновой, о чем было упомянуто в главе 4. Американский эксперимент в соляной шахте в Огайо зафиксировал данные еще восьми событий. (Также нейтринные события зарегистрировал детектор в Баксанской лаборатории на Кавказе. – Прим. науч. ред. ) Полученные цифры порадовали астрофизиков, поскольку хорошо согласовываются с предсказаниями теорий сверхновых. . Тем не менее это было важнейшее открытие, связанное с природой самих нейтрино. С одной стороны, оно заставляет микромир казаться более сложным, с другой – масса нейтрино может предложить новые ключи к разгадке отношений между ними и другими частицами.

По крайней мере, нам известно, что нейтрино существуют, хотя мы по-прежнему точно не знаем их массы. Но есть длинный список гипотетических частиц, которые, возможно , существуют и (если это так) могли выйти из Большого взрыва в достаточном количестве, чтобы внести основной вклад в значение числа Ω. Нет никаких особенно убедительных оснований судить о том, насколько тяжелы могут быть эти частицы. Наилучшие предположения дают значение в сотни раз тяжелее атома водорода. Если бы в Галактике было достаточно таких частиц, чтобы составить темную материю, по соседству с Солнцем их бы насчитывалось по нескольку тысяч на 1 м 3. Они бы двигались примерно с той же скоростью, что и средняя звезда в Галактике, – где-то 300 км/с.

Эти частицы, тяжелые, но электрически нейтральные, в основном, как и нейтрино, проходили бы прямо сквозь Землю. Тем не менее их небольшая часть могла бы взаимодействовать с атомами веществ, через которые они проходят. В течение дня происходило бы всего несколько столкновений с каждым из нас (притом что наше тело содержит примерно 10 29атомов). Мы же явно ничего не ощущаем. Однако эксперименты с высокой чувствительностью могут обнаружить очень слабые «удары» или отдачу, возникающую, когда такие столкновения происходят с куском кремния или подобным материалом. Детекторы должны быть охлаждены до очень низкой температуры и размещены глубоко под землей (например, их располагают в шахте в Йоркшире или в туннеле под горами в Италии). Это необходимо, чтобы снизить помехи от других событий, которые могут заглушить подлинные сигналы от соударений с темной материей.

Несколько групп физиков взялись за трудные задачи этой «подземной астрономии». Это тонкая и длительная работа, но, если ученые добьются успеха, они смогут не только узнать, из чего же в основном состоит наша Вселенная, но вдобавок еще и открыть новый важный вид частиц. Только величайший оптимист мог бы положиться на успех этого предприятия, потому что на настоящий момент у нас нет теории относительно частиц темной материи, следовательно, очень трудно найти оптимальный путь поиска {13} 13 Следующий шаг в теоретическом понимании субатомной физики может затрагивать понятие, которое называется «суперсимметрия». На этом этапе необходимо связать ядерные силы с другими силами внутри атомов (и таким образом обеспечить лучшее понимание нашего космического числа ε). Тут задействованы и некоторые виды электрически нейтральных частиц, которые были созданы во время Большого взрыва и массу которых можно вычислить. .

Сейчас рассматривается и множество других кандидатов, которые могут составлять темную материю. Некоторые физики-теоретики предпочитают версию о еще более легкой частице, которая называется аксионом. Другие предполагают, что эти частицы могут быть в миллиард раз тяжелее, чем те, которые ищут сейчас (в этом случае они должны встречаться в миллиард раз реже, что делает поиск еще более трудным). Или они могли бы быть куда более экзотическими – например, черные дыры размером с атом, созданные под огромным давлением первоначальной Вселенной.

Некоторые гипотезы относительно состава темной материи можно смело отбросить; на данном этапе с помощью разнообразной аппаратуры осуществляются серьезные поиски кандидатов. Гравитационное микролинзирование может обнаружить достаточное количество тусклых звезд или черных дыр. Экспериментаторы на дне шахт могут найти какой-то новый вид частицы, которая наполняет собой гало нашей Галактики. Даже отрицательные результаты могут иногда быть интересны, потому что исключают некоторые кажущиеся логичными варианты.

Может существовать несколько различных видов темной материи. Будет удивительно, если окажется, что нет какого-то дополнительного количества коричневых карликов или черных дыр. Тем не менее версия с экзотическими частицами больше похожа на правду, потому что есть доказательства того, что большая часть темной материи не состоит из обыкновенных атомов, полученных с помощью дейтерия.

Тот факт, что более 90 % Вселенной остаются неведомыми, приводит в смущение. И куда хуже понимать то, что темная материя может состоять из структур, масса которых колеблется от 10 –33г (нейтрино) до 10 39г (тяжелые черные дыры), т. е. степень неуверенности составляет более 70 порядков. Эта ключевая проблема может привести к трем направлениям поиска:

1. Сущности, составляющие темную материю, можно обнаружить напрямую. Коричневые карлики могут быть причиной гравитационного линзирования звезд. Если темная материя в нашей Галактике представляет из себя рой частиц, некоторые из них могут быть найдены упорными экспериментаторами глубоко под землей. Я буду оптимистом, если напишу, что через пять лет смогу рассказать о том, что же представляет собой темная материя [24] Даже сейчас надо быть оптимистом, чтобы это повторить. – Прим. науч. ред. .

2. Экспериментаторы и теоретики уже предоставили нам много информации о нейтрино. Возможно (хотя сейчас это и кажется маловероятным), что у нейтрино достаточно массы, чтобы быть важной составляющей темной материи [25] Современные данные исключают возможность того, что три известных сорта нейтрино могут объяснить всю темную материю. – Прим. науч. ред. . Когда мы будем лучше понимать физику высоких энергий и плотностей, мы узнаем, какие еще виды частиц могли когда-либо существовать, и сможем рассчитать, как эти частицы пережили первые миллисекунды существования Вселенной, так же надежно, как теперь можем предсказать количество гелия и дейтерия, пережившее первые три минуты после Большого взрыва.