Сможет ли Большой адронный коллайдер найти «пропавшую Вселенную»?

Говорят, что самые тяжелые для исполнения музыкальные партии зачастую являются самыми простыми. То же самое и с наукой: простейшие вопросы вроде «из чего состоит Вселенная?» ставят в тупик самые светлые умы в области физики. Ставили, во всяком случае. На следующей неделе Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе снова заработает после двухлетней программы техобслуживания и модернизации.

Когда это произойдет, энергия столкновения частиц будет в два раза выше, чем в прошлый раз, когда физики обнаружили бозон Хиггса. Предполагается, что увеличенные возможности также, наконец, раскроют сущность «темной материи» — невидимой, но важной составляющей Вселенной, на которую приходится около четверти всей материи.

Темная материя появилась на радарах большинства ученых в 1974 году, благодаря наблюдениям американского астронома Веры Рубин, которая заметила, что звезды, вращающиеся вокруг черных дыр в центрах спиральных галактик вроде нашей, делают это с одной и той же скоростью, независимо от расстояния до центра.

Этого не должно происходить — и не происходит в очевидно сопоставимых системах вроде нашей Солнечной системы, где планеты, захваченные гравитацией Солнца, вращаются тем медленнее, чем дальше находятся. Нептун обращается вокруг Солнца 165 земных лет, когда Земле нужен для этого всего год.

Наше понимание гравитации подсказывает нам, что все должно происходить точно так же.

То, что звезды Веры вращаются с одинаковой скоростью, стало сюрпризом: видимо, там было больше всякого, что обеспечивало гравитацию, чего мы не видели. Темная материя. С тех пор темная материя стала общим термином для вещества (материи), которое должно быть, но которого мы не видим. Только вот до сих пор непонятно, чем эта темная материя должна быть представлена.

Это не означает, что прогресса нет вообще. В настоящее время считается, что темная материя — не просто обычный материал в виде газа, пыли и мертвых звезд, которые просто не светятся. В настоящее время наукой признано, что темная материя — это собрание фундаментальных частиц вроде кварков и глюонов, из которых состоят атомы, известные нам. Но это не точно.

Эти «темные» элементарные частицы известны как вимпы: слабо взаимодейстующие массивные частицы, WIMP. Этот акроним, как и термин «темная материя», сам по себе описывает, как эти теоретические создания темной материи ведут себя. «Слабо взаимодействующие» означает, что у них мало общего с обычной материей. Они пролетают прямо сквозь нее. Это делает их весьма трудными для обнаружения, учитывая, что обычная материя — все, что у нас есть для их обнаружения.

Часть «массивная» означает, что у них есть масса. Что с размерами — непонятно. Осталось только «частица», что понятно, в принципе, хотя определение может быть и лучше. Темная материя — это своего рода элементарные частицы, которые обладают характеристиками вимпов.

В теории эти вимпы могут быть самыми разными вещами, но работа профессора Карлоса Френка из Университета Дарема сузила диапазон поиска этих вещей. Вместе с коллегами Френк еще в начале своей научной карьеры в 1980-х годах заявил, что темная материя должна быть представлена вимпами и должна быть «холодной».

На тот момент это заявление было спорным, но со временем Френк снабдил свою теорию существенным весом в научных кругах.

«Процесс довольно прост. Все, что вам нужно — гравитация и несколько базовых допущений».

Собственно, этими допущениями и были заявления Френка о том, что темная материя состоит из вимпов и является холодной.

Вселенные, которые выросли на его компьютере, оказались неотличимы от нашей и предоставили существенную поддержку идее холодной темной материи. И поскольку темная материя была частью моделирования, ее можно было сделать видимой. Невидимое раскрылось. Ее можно чуть ли не коснуться, восторгался Френк.

Но это «чуть ли» оказалось проблемой. Дело в том, что вы не можете прикоснуться к ней — потому-то и попытки обнаружить ее до сих пор не увенчались успехом. Но темная материя должна быть там, и она может быть представлена элементарными частицами — а по этой части у нас есть мощная машина, которая может обнаружить эти частицы: Большой адронный коллайдер.

Вы знаете, что БАК сталкивает протоны, летящие на околосветовой скорости по 27-километровой трубе в противоположных направлениях. Столкновение приводит к двум последствиям. Во-первых, протоны распадаются, выявляя кварки, глюоны, калибровочные бозоны и другие элементарные частицы атомного вещества. В Стандартной модели есть 17 частиц — и все они были увидены на БАК.

Во-вторых, столкновений может произвести другие, более тяжелые частицы. Когда они образуются, детекторы БАК их улавливают. За одним из таких детекторов стоит профессор Дейв Карлтон из Бирмингемского университета.

«Иногда вы производите более массивные частицы. Их-то мы и ищем».

Дейв — и все остальные в CERN — ищет их, потому что эти частицы могут быть составной частью темной материи. Звучит это маловероятно — как может обычная материя произвести материю, которую невозможно увидеть или обнаружить при помощи обычной материи. Но это имеет смысл с точки зрения бесспорной концепции Большого Взрыва.

Если темная материя существует, она появилась в процессе Большого Взрыва, как и все остальное.

И чтобы увидеть, что могло появиться в процессе Большого Взрыва, нужно воссоздать его условия. Единственное место, где можно их воссоздать, это точка столкновения на БАК. Чем быстрее столкновение, тем ближе оно к температуре Большого Взрыва.

Есть все основания полагать, что темная материя может быть воспроизведена в ускорителях частиц вроде БАК. Более того, существует математическая теория, которая предсказывает, что 17 составляющих Стандартной модели имеют партнеров в виде других 17 частиц. Этот принцип называется «суперсимметрия».

Профессор Джон Эллис, физик-теоретик из Кингс-Колледж в Лондоне, который также работает в CERN, — фанат суперсимметрии, как и многие другие. Он надеется, что некоторые из этих пока сугубо теоретических суперсимметричных частиц появятся на виду в скором времени.

«Мы надеялись, что они выявят себя в первом же запуске БАК. Но этого не произошло», — жалуется он.

Эллис объясняет, что это означает, что суперсимметричные частицы должны быть тяжелее, чем думали ученые, и появятся только при более высоких энергиях, которые не были доступны до текущего момента.

Во время второго запуска БАК столкновения будут происходить с удвоенной энергией, и профессор Эллис питает надежду, что суперсимметричные частицы наконец появятся. Это важный момент для суперсимметрии. Если она проявит себя на БАК, все будет хорошо. Проблема темной материи разрешится, наряду с другими аномалиями в Стандартной модели физики.

Но если суперсимметрия не появится, как в прошлый раз, физики и астрофизики должны будут искать другие идеи и объяснения того, из чего состоит наша Вселенная. Возможно, им придется начать все заново.