Пролить свет на тёмные фотоны

Пролить свет на тёмные фотоны

// Наука ещё на шаг подошла к разгадке тайны тёмной материи
Авторы: Григорий Тарасевич

Возможно, где-то во Вселенной существует совершенно иной, непохожий на наш мир. В нём работают другие законы физики, взаимодействуют другие частицы. Группа российских учёных вместе с коллегами из других стран приблизилась к обнаружению загадочной частицы — тёмного фотона. Он может оказаться посредником между нашим миром и скрытым сектором Вселенной. Эксперимент под названием NA64 проводился на одном из ускорителей CERN. Если проект увенчается успехом, это станет настоящей революцией в физике, да и вообще в наших представлениях о мире.

Загадочная масса

Мир устроен очень несправедливо. Понятная нам материя составляет примерно 5 % Вселенной. Всё остальное — нечто странное и тёмное.

В 20–30-х годах XX века учёные заметили, что в некоторых галактиках происходит злостное нарушение законов небесной механики. Например, швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки в 1933 году измерил радиальные скорости восьми галактик в созвездии Волосы Вероники. Расчёты показали: видимого вещества там в десятки раз меньше, чем нужно, чтобы сила тяготения удерживала галактики вместе. Значит, есть что-то другое, невидимое, но воздействующее своей массой. Так появился термин «тёмная материя».

Неожиданный результат можно было списать на погрешность измерения или ошибку в формулах. Но дальнейшие исследования ещё больше убедили учёных: в космосе есть нечто загадочное, тяжёлое, недоступное наблюдению. И в очень больших количествах.

Другое доказательство существования тёмной материи было получено благодаря методу гравитационной линзы. Такие массивные объекты, как галактики и их скопления, искривляют лучи света, исходящего от звёзд, находящихся за ними, — спасибо Альберту ­Эйнштейну за теорию относительности. Но гравитации видимых космических тел не хватает, чтобы свет искривлялся так, как это показывают наблюдения.

Ещё один аргумент — открытие огромного количества раскалённого газа в скоплениях галактик. Расчёты показали, что масса обычной материи слишком мала, чтобы этот газ удерживать, — он должен был давно улететь в космическую пустоту. Но ведь не улетает!

Следовательно, во Вселенной есть некая субстанция, которая проявляет огромную массу, но ускользает от любых других наблюдений. Эта материя не ­излучает ни видимый свет, ни другие волны. Не вступает во взаимодействие с обычным веществом. Её нельзя увидеть, пощупать, понюхать или хотя бы засунуть в ускоритель.

«Несмотря на свою невидимость и неосязаемость, тёмная материя играла ключевую роль в формировании структуры Вселенной. Тёмную материю можно сравнить с недооценёнными рядовыми членами общества. Хотя они и не видны вершителям судеб, без армии работников, строящих пирамиды, прокладывающих автомагистрали, собирающих электронную аппаратуру, невозможно развитие цивилизации. Как и другие незаметные группы людей в нашем обществе, тёмная материя принципиально важна для нашего мира», — пишет физик-теоретик Лиза Рэндалл в книге «Тёмная материя и динозавры», которая в этом году вышла на русском в издательстве «Альпина нон-фикшн».

Лиза Рэндалл согласилась дать интервью «КШ». Читайте здесь.

Я бы чуть развил эту метафору. Представьте, что вы дизайнер, живущий в Москве, эдакий креативный интеллигент в пятом поколении. А где-то в Сибири существует рабочий нефтяной скважины. Вы не вступаете с ним в привычные формы взаимодействия: не ходите в гости, не общаетесь в социальных сетях, не сидите до утра за чашкой чая. Но вы живёте в одной стране и опосредованно ощущаете друг друга. Например, благодаря добытой нефти государственный бюджет становится массивным и воздействует на дизайнера. Эту ­метафору я придумал специально, чтобы не пугать физикой трепетных гуманитариев. Она будет появляться и дальше — физики и крепкие духом лирики могут пропускать.

А книгу Лизы Рэндалл советую прочитать всем.

Зазеркальная Вселенная

Известная нам часть мира уже давно разложена по полочкам Стандартной физической модели: кварки здесь, электроны там, электромагнитное взаимодействие сбоку и так далее. До недавнего ­времени были неясности с одной клеткой — бозоном Хиггса. Впрочем, и с ним разобрались. Но, повторяю, это лишь одна двадцатая Вселенной. Тёмной материи во много раз больше, а толком про неё ничего не известно.

Сергей Гниненко — ведущий научный сотрудник ­Института ядерных исследований РАН, входит в сотню самых цитируемых в мире российских физиков. Один из руководителей эксперимента по поиску тёмных фотонов, проводимых в CERN.

— Несмотря на интенсивные поиски на Большом адронном коллайдере, в космических и подземных ­лабораториях, мы по-прежнему крайне мало знаем о происхождении, составе и динамике тёмной материи. Известно лишь, что она движется относительно ­медленно, является «холодной» и взаимодейству­ет с нами гравитационно. Отсутствие прогресса в этом вопросе изменило представление о тёмной материи. Появились расширенные версии Стандартной модели, которые предполагают, что тёмная материя является частью так называемого скрытого сектора. Он, как и Вселенная, состоит из семейства частиц и сил, но обнаружить его не удаётся, потому и «скрытый», — рассказывает физик Сергей Гниненко.

Откуда взялась тёмная материя? До конца не ­известно. Возможно, она появилась в момент Большого ­взрыва одновременно с привычным нам веществом. Может, случилось нечто, именуемое физиками «дефектом пространства», и одна часть мира оказалась практически не связана с другой, хотя обе находятся в одних и тех же галактиках.

— Или, например, случился другой Большой взрыв, породивший скрытый сектор, — добавляет Гниненко.

Есть десятки гипотез, объясняющих, что представляет собой тёмная материя: неизвестные элементарные частицы, скопления особых видов нейтрино, привет из пятого измерения…

Игорь Кобзарёв (1932–1991) —физик-​теоретик, специалист по элементарным частицам и теории гравитации.

Лев Окунь (1929–2015) — физик-теоретик. Именно он в 1962 году предложил называть «адронами» элементарные частицы, подверженные сильному взаимодействию (протоны, нейтроны и т. д.). Это слово используется во всём мире, а благодаря Большому адронному коллайдеру его знают даже те, кто далёк от физики.

Одну из первых теорий предложили в 1966 году советские физики Кобзарёв, Окунь и Померанчук (между собой физики называют её КОП — по именам создателей). В то время на Западе мало интересовались тёмной материей, это сейчас она стала чуть ли не проблемой номер один.

Авторов явно вдохновлял Льюис Кэрролл с его «Алисой в Зазеркалье». В аннотации к знаменитой статье, опубликованной в журнале «Ядерная физика», они писали: «…обсуждается возможность существования наряду с обычными частицами (L) “зеркальных” частиц (R), введение которых восстанавливает эквивалентность левого и правого. Показано, что “зеркальные” частицы не могут взаимодействовать с обычными ни сильно, ни полусильно, ни электромагнитно… Обсуждается вопрос о существовании макроскопических тел (звёзд) из R-вещества и возможность их обнаружения».

Фактически речь идёт о возможности параллельной Вселенной. И тут мне хочется вернуться к метафоре с дизайнером и нефтяником. Даже очень креа­тивный москвич не станет отрицать существование сибирского ­работяги и его вклад в валовый продукт страны. Но вряд ли он готов допустить, что у столь далёкого в социальном отношении типажа есть сложный внутренний мир: сомнения, тоска, вдохновение, любовь, мечты. Неизвестное часто кажется более простым, чем оно есть на самом деле.

Да, есть гипотезы, что тёмная материя состоит всего из одного вида частиц, которые способны лишь обеспечивать массу, не более того. Достаточно добавить одну клеточку к Стандартной модели, и проблема будет решена. Но есть другие теории, согласно которым тёмный мир может быть устроен очень сложно.

Гораздо позже, в 2007 году, Лев Окунь писал в журнале «Успехи физических наук»: «Скрытый зеркальный сектор должен иметь свои собственные сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. А это означало, что невидимые зеркальные частицы, подобно обычным, должны образовывать зеркальные атомы, молекулы, невидимые звёзды, планеты и даже зеркальную жизнь. Более того, этот невидимый зеркальный мир может сосуществовать с нашим миром в одном и том же пространстве. Помню, как Игорь Кобзарёв и я в выходной день шли по подмосковному лесу (от станции Фирсановка на ленинградском направлении к станции Нахабино на рижском направлении). И вдруг я очень ярко “увидел”, как через поляну по невидимым рельсам идёт невидимый и неслышимый поезд».

Исаак ­Померанчук (1913–1966) —физик-​теоретик. Участвовал в создании советских ядерных реакторов. Сделал много открытий в области физики элементарных частиц. Дважды лауреат Сталинской премии. В его честь названа гипотетическая частица — померон.

Правда, автор тут же признаётся, что такой «зеркальный» поезд невозможен: скрытая материя вступила бы в гравитационное взаимодействие с нашей, и это было бы заметно. Но она может существовать поблизости.

По последним расчётам в Солнечной системе больше трёхсот квадриллионов тонн тёмной материи. Относительно масс планет это ничтожно мало. Но что, если это нечто сложное и организованное — космический корабль, исследовательский зонд, живое существо? Дальше можно пофантазировать о тёмных человечках, которые сидят под лампами с тёмным светом и тщетно пытаются вывести формулу, объясняющую существование Земли и Солнца, которые очевидно противоречат законам тёмной физики…

А что? Тёмной материи во много раз больше, чем види­мой. Мы пока не знаем, какая физика благоприятнее для возникновения жизни и интеллекта, — наша или та, что в скрытом секторе. Будем считать, что шансы равны, а значит, вероятность существования «тёмного ра­зу­ма» в пять раз больше, чем «обычных» инопланетян.

Надежда на случайное столкновение

Можно долго строить теории и изучать процессы в далёком космосе. Но главным доказательством в физике всё-таки является контролируемый эксперимент. И есть вероятность, что тёмную материю удастся поймать в земных условиях.

Снова метафора. Московский дизайнер, конечно, может прочитать в деловом журнале статью о добыче нефти. Но, допустим, он приехал в командировку в Сургут. Существует ненулевая вероятность, что на улице дизайнер столкнётся с рабочим-нефтяником, они познакомятся, пойдут пить кофе и говорить о смысле ­жизни. Согласитесь, таким образом можно получить ­гораздо больше информации друг о друге. А если это произойдёт, москвич наверняка напишет об этом заметку в фейс­бу­ке или выложит фотографию в инстаграме. И тогда его креативные друзья узнают много нового о сибирских рабочих.

Вернёмся к физике.

Один из кандидатов на роль элемента тёмной материи — так называемый вимп (от ­WIMP, Weakly Interacting Massive Particle). Эти гипотетические частицы могут обладать массой в десятки раз большей, чем у протона. Предполагается, что они летают и в окрестностях Земли. Поймать их сложно: тёмное вещество с нашим взаимодействует весьма неохотно. Расчёт на то, что, если столь крупная частица ударится о ядро обычной материи, это можно будет заметить.

В мире есть несколько детекторов, которые ­пытаются зафиксировать частицы тёмной материи. Например, ус­тановка ­PICASSO в Канаде. Чувствительное вещество — фторуглерод (C4F10) — находится в состоянии ­перегретой жидкости (когда температура превысила точку кипе­ния). Малейшее внешнее воздействие, и капелька превратится в пар. Ожидается, что если частица тёмной материи попадёт в атом фтора, то вокруг жидкость начнёт переходить в газ — произойдёт микроскопический взрыв, звук которого можно будет уловить специальным сенсором.

Мне как-то довелось побывать в лаборатории новосибирского Института ядерной физики им. Г. И. Будкера, где тоже разрабатывают установку для поимки тёмной материи. Основная часть прибора напоминает здоровенную металлическую бочку, в которую закачивают сжиженный инертный газ: ксенон и аргон. Если частица тёмной материи ударится о ядро молекулы газа, это удастся зафиксировать.

Важно очень точно откалибровать установку и изоли­ровать её от остальных частиц — иначе ­невозможно будет понять, тёмная материя это или что-то другое. ­Разместить детектор планируют в итальянской Национальной лаборатории Гран-Сассо, расположенной внутри горы Аквила. От внешнего мира лабораторию отделяют почти полтора километра горных пород, что практически полностью исключает попадание посторонних частиц.

«Невидимый распад невидимой частицы»

Установки, о которых я рассказывал в предыдущей главке, предназначены для поиска в первую очередь вимпов — массивных частиц, не склонных вступать в какое-либо взаимодействие, кроме гравитационного.

Но ведь есть гипотеза, что тёмная материя не так уж проста и её отношения с нашим миром куда раз­но­об­раз­нее. Допустим, метафорические дизайнер с рабочим уже встретились и познакомились. Но представьте, что дизайнер — прекрасная девушка, а нефтяник — брутальный мужчина, и между ними возникло чувство. Любовь, отношения, брак, дети, внуки… Два мира могут смешаться.

— У теоретиков были основания полагать, что тёмная материя обнаруживает своё присутствие не только посредством гравитационной силы. В частности, гипотеза о лёгкой тёмной частице, иногда возникающей в электромагнитных процессах, была выдвинута в начале 80-х Львом Окунем. В последнее время в связи с «закрытием» Стандартной модели интерес к подобным экзотическим частицам значительно возрос, — поясняет Ренат Дусаев, учёный из Томска. Он один из участников эксперимента по поиску частицы под названием тёмный фотон.

Этот термин предложили в 2008 году американские астрофизики Лотти Акерман, Мэттью Бакли, Шон Кэрролл и Марк Камионковски. «Представим, что есть совершенно новый вид фотонов, который соединён с тёмной, а не с обычной материей. Таким образом, могут быть тёмные электрические поля, тёмные магнитные поля, тёмное излучение и так далее», — писали они. 

На всякий случай напомню, что такое фотон ­обычный. Это — элементарная частица, квант света или какого‑то другого электромагнитного излучения. Именно он вызывал в школе когнитивный диссонанс: «Как же это так — одновременно и частица, и волна?!» Получить фотон очень легко: достаточно включить лампочку, и комната наполнится фотонами. Или позвонить по ­телефону. И радиосигнал, и свет, и рентгеновские лучи, и много чего ещё переносится с помощью этой частицы. У неё нет массы, нет заряда, зато есть энергия, благодаря которой происходит большинство процессов вокруг.

— По аналогии с нашим электромагнетизмом, для которого безмассовый фотон является переносчиком сил между заряженными частицами, может также существовать и тёмный электромагнетизм, переносимый массивным скрытым, или тёмным, фотоном. На мой взгляд, «скрытый фотон» звучит лучше, чем «тёмный»: меньше путаницы, — объясняет Сергей Гниненко.

В отличие от обычного фотона, тёмный может обладать массой. Какой именно, пока сказать нельзя. Предполагается также, что он может распадаться на другие частицы. И главное, есть вероятность, что тёмный фотон способен взаимодействовать с частицами обычной материи. Назревает сенсация. Она может произойти в рамках эксперимента с не слишком романтичным названием NA64.

Этот проект разработали учёные из Института ядерной физики РАН (Москва) и Института физики высоких энергий (Протвино). В марте 2016 года его одобрила Европейская организация по ядерным исследованиям — CERN (да-да, та самая, что построила Большой адронный коллайдер). Это довольно редкий случай, когда CERN включает в свою исследовательскую программу эксперимент, предложенный российскими учёными; за всю историю такое случалось всего несколько раз. Для поисков тёмного фотона был предоставлен ускоритель SPS.

— Если масса тёмного фотона небольшая — от одного до тысячи электронвольт или даже меньше, то могут возникать осцилляции между нашим фотоном и тёмным, аналогичные осцилляциям нейтрино. При массе, скажем, больше 1 МэВ он может распадаться на обычные частицы, например электрон-позитронные пары. Такие распады можно зарегистрировать. Есть, конечно, вероятность, что тёмный фотон предпочитает распадаться на «свои» частицы из скрытого сектора, которые как раз и являются основой тёмной материи. И тут возникает нетривиальная задача — ­экспериментально обнаружить невидимый распад невидимой частицы. Звучит дико, но это так, — признаёт Гниненко.

Электронвольт (эВ). Ядерные физики предпочитают измерять массу частиц через энергию — снова спасибо Эйнштейну за Е = mc2. Так, масса электрона равна примерно 0,5 МэВ (миллиона электрон­вольт), протона — 0,9 ГэВ (то есть почти миллиард эВ), а у нейтрино меньше 0,28 эВ.

— Астрофизики хорошо умеют задавать загадки и размечать границы, а разбираться в тонкостях ­придётся, скорее всего, на ускорителях. Идея NA64 при всей её элегантной простоте не нова, однако, как и в случае с открытием, сделанным интерферометрами ­LIGO, лишь с недавнего времени технологии позволяют ставить столь точные эксперименты. ­CERN для этого, конечно, одно из лучших мест. Мы полагаем, что тёмный фотон — это короткоживущая массивная частица, которая может распадаться на другие гипотетические частицы. И не исключено, что эти вторичные частицы проявляют себя во взаимодействии с обычной материей. Обнаружение таких событий тоже входит в программу нашего исследования, — рассказывает Ренат Дусаев.

В основе эксперимента лежит закон сохранения энергии:

— Если скрытые фотоны существуют, они могли бы рождаться в реакции рассеяния электронов высокой энергии в активной мишени полного поглощения. А проис­ходило бы это благодаря квантовому эффекту смеши­вания с обычным фотоном тормозного излучения, испускаемого электронами в поле ядра. Так как тёмные фотоны очень слабо взаимодействуют с обычным веществом, они проникали бы через мишень и уносили из детектора существенную часть энергии пучка. Указанием на существование тёмных фотонов стало бы обнаружение событий с большой, более 50 %, недостающей энергией. Такие события крайне редки. Их доля составляет меньше 1:100 000 000 000 на одно стандартное взаимодействие электрона в мишени, — объясняет Сергей Гниненко.

Грубо говоря, если из закрытой системы часть энергии исчезает, значит, её похитил именно тёмный фотон.

— Это называется beam-dump — герметичный экспери­мент. Первоначальный пучок частиц вбрасывается в установку, где происходит поглощение всей энергии, фиксируемой детектором. Образование тёмных частиц оставляет довольно специфический след, по которому и можно определить, что мы столкнулись с физикой за пределами Стандартной модели, — заключает Ренат Дусаев.

Эксперимент ­NA64 проходит в несколько этапов. Первый завершился этой весной.

— Фактически мы только начали поиски тёмного фотона и других кандидатов на роль элементов тёмной материи, — уточняет Сергей Гниненко.

Полученные результаты позволили исключить ­массы частицы, при которых тёмный фотон искать не следу­ет. Зона поиска сузилась примерно на 25 %. Это неплохо.

Следующая стадия эксперимента начнётся в ­сентябре. Российские учёные планируют поработать в CERN пять недель — больше пока не получается: ускоритель загружен другими проектами. Впрочем, сейчас ведутся переговоры, и если они увенчаются успехом, искать тёмную материю будут в режиме нон-стоп — круглогодично.

Это не единственный эксперимент такого рода — в мире проводится несколько аналогичных. Например, есть международный проект BaBar, в котором участвуют около четырёхсот физиков из разных стран, включая Россию. Эксперименты по поиску тёмных фотонов проходят на базе Национальной ускорительной лаборатории ­SLAC (США).

— Но у нас отличный шанс найти тёмный фотон первыми, — уверен Ренат Дусаев.

«Тёмный интернет, тёмные города, тёмные источники энергии…»

Поиски тёмных фотонов чем-то напоминают историю с нейтрино. Разговоры о некой недостающей частице шли с начала XX века. Термин «нейтрино» появился в 1930-х (в переводе с итальянского означает «нейтрончик»). А экспериментально зафиксировать частицу удалось лишь в середине века.

Это было, конечно, большим событием. Но оно не идёт ни в какое сравнение с потенциальным ­обнаружением тёмных фотонов. Во-первых, нейтрино не выходит за рамки Стандартной модели и относится всё к тем же 5 % наблюдаемой материи. Во-вторых, они крайне не­охот­но вступают во взаимодействие — только и делают, что летают: каждую секунду через нас проходят миллиарды нейтрино. Ничего серьёзного из этих беспечно-​аутичных частичек получиться не может по определению.

То ли дело тёмный фотон, который служит переносчиком некоего взаимодействия… Это путь в совершенно иной мир, сложный и завораживающий.

— Открытие нового взаимодействия между нашей и тёмной материей станет революцией в физике. Сродни открытию радиоволн. Появится возможность связи со скрытой Вселенной. Добавьте сюда тёмный интернет, тёмные города, тёмные источники энергии, — подводит итог Сергей Гниненко.

 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №7-8 (33-34) за июль-август 2017 г.

Подписаться на «Кота Шрёдингера»