Темная энергия – гравитационное проявление темной материи

Итак, четверть массы Вселенной состоит из темной материи (dark matter), которая никак не хочет войти в контакт с обычной материей, и мы не знаем никаких ее параметров, а главное, ее сущности. При этом ученые предполагают, что темное вещество с такой же легкостью проникает всюду, в том числе и в наши жилища, но оно совершенно неуловимо: поймать его – это все равно как попытаться уловить собственную тень под лучами Солнца. 

 
Приманка для вимпов 

«Поиски темной материи приближаются к финальной стадии». 20 октября 2013 года с таким заявлением выступил один из крупных специалистов по dark matter, профессор Лондонского университета Чамкаур Гхаг. Профессор Гхаг – участник коллаборации Large Underground Xenon (LUX, «Большой подземный ксенон»), новейшего экспериментального проекта США. Он подчеркнул, что хотя этот самый чувствительный в мире детектор, предназначенный для выявления существования темной материи, пока еще не обнаружил каких-либо явных признаков этого загадочного вещества, тем не менее трехмесячный период испытания оставил явно оптимистические ноты для продолжения более глубоких исследований в предстоящем 2014 году. Участники коллаборации попеременно в течение 300 дней будут находиться в лаборатории на глубине 1600 метров под землей, где установлено оборудование LUX.
Лаборатория эта была оборудована в заброшенной шахте по добыче золота в штате Южная Дакота (США). Шахта знаменита еще тем, что почти полвека тому назад американские ученые именно там впервые зафиксировали нейтрино – частицы, испускаемые Солнцем.
Несколько слов о том, что представляет собой LUX и как он будет «охотиться» за темной материей (ТМ). 

Под титановым корпусом детектора находятся под давлением атомы ксенона, очень легкого стабильного элемента. Ксенон – инертный газ, то есть он не вступает в нежелательные химические реакции. 

 
Ученые исходят из того, что темная материя, составляющая основную массу метагалактики, состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Миллионы «вимпов» ежесекундно проходят сквозь нас и мимо нас, не оставляя никаких следов, поскольку, в отличие от субатомных частиц, они не имеют электрического заряда и «не подчиняются» никаким законам электромагнитных колебаний любого диапазона. Причем, как полагают ученые, количество «вимпов» во Вселенной в пять-шесть раз больше частиц обычной барионной материи, то есть протонов, электронов, нейтронов… 

Главная проблема исследователей, работающих на LUX, равно как и предыдущих опытов в США и Западной Европе, заключается в том, что небарионные частицы ТМ чрезвычайно слабо взаимодействуют с частицами обычной материи. По этой же причине частицы ТМ не взаимодействуют и с фотонами света, однако свет испускается оттуда, где есть ТМ. Именно это свойство гравитационной неустойчивости ТМ сделало возможным изучение по астрофизическим наблюдениям количества, состояния и распределения темной материи. 

Экспериментаторы LUX рассчитывают, что частицы ТМ могут пролететь рядом с атомом ксенона, выбить из него электрон, и детектор немедленно зарегистрирует это явление как «приобретенный» заряд. Установка LUX состоит из более чем сотни электронных фотодетекторов. 

Другая немаловажная проблема заключается в том, что пока никто не знает хотя бы примерную массу предполагаемых частиц ТМ: здесь огромный диапазон предположений – от 10 до 100 ГэВ и, возможно, даже больше. Многие считают, что масса «вимпов» в 100–150 раз превышает массу протона. В LUX в качестве «приманки вимпов» привлечен ксенон, атом которого примерно в 130 раз превышает массу протона – стало быть, поиск направлен на «захват» тяжелых «вимпов». Впрочем, это отнюдь не означает, что LUX не сможет «принять» и легкие «вимпы», если они там появятся. 

Более того, как заявил другой участник проекта LUX, доктор Ричард Гейтскелл из Браунского университета, чувствительность детектора LUX к тяжелым «вимпам» в два раза превышает чувствительность детектора любой другой коллаборации; для легких «вимпов» это превосходство составляет почти 20 раз. В таком же духе высказался и ядерный физик из Йельского университета доктор Макканзи: «На начальном этапе нам нужно было выяснить потенциальные возможности нашего сверхчувствительного детектора и исключить неперспективные направления проекта, что  нам удалось сделать без особого труда». 

Возвращаясь к высказываниям доктора Гхага, который до прибытия в США участвовал и в двух европейских подземных проектах по поискам ТМ (в Италии и Франции), отметим его особую вдохновленность перспективами LUX. Вот что говорит доктор Гхаг: «В течение года мы уверенно проникнем в понимание природы темной материи гораздо глубже, чем это было сделано во всех экспериментах до нас. Если ТМ существует в такой форме, как мы предполагаем, и ее частицы в состоянии войти во взаимодействие с нашим сверхчувствительным детектором, мы очень скоро сможем зафиксировать параметры ТМ. Я абсолютно убежден, что до конца текущего десятилетия мы сможем раскрыть тайны темной материи, и здесь LUX будет в первых рядах этого события».
Весьма показательны также оценочные комментарии других исследователей проблемы ТМ, не вовлеченных в проект LUX. Так, профессор Ноттингемского университета доктор Анна Грин подчеркнула, что LUX, располагая сверхчувствительным детектором, сделал большой шаг вперед. LUX, несомненно, является хорошим дополнительным инструментом к проводимым за последние два-три года исследованиям в рамках экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК). «Поскольку пока мы не знаем никаких конкретных параметров ТМ и так называемых условных частиц «вимпов», мы должны проводить эксперименты в различных направлениях и масштабах, чтобы добиться получения последовательных и устойчивых сигналов частиц темной материи», – подчеркнула Грин. 

В поисках аксионов 

Существенно и то, что если участникам проекта LUX в ближайшее время не удастся выйти на точный след ТМ, то у коллаборации имеется запасной вариант – они очень скоро планируют запустить еще более крупный проект с гораздо более чувствительным детектором LUX-ZEPLIN. А уж если и после этого не удастся со всей убедительностью обнаружить искомые частицы темной материи, то физикам придется признать нынешнюю концепцию о темной материи ошибочной и искать другую, более всеобъемлющую теорию. 

Любопытно, что как раз в разгар научных дискуссий вокруг успешного запуска проекта LUX в самом престижном американском журнале Science (November 1, 2013, vol. 342) появилась статья доктора Адриона Чо под весьма интригующим, почти детективным заголовком – Dark Matter’s Dark House («Темный дом темной материи»). Речь идет о небольшом по своим масштабам проекте под названием The Axion Dark Matter Experiment (ADMX). 

Установка представляет собой металлический цилиндр длиною всего 4 м. Что в него будет вложено и как будет происходить сам эксперимент, пока не раскрывается. Место нахождения установки – Центр экспериментальной ядерной физики и астрофизики Вашингтонского университета. Цель – поиски гипотетической нейтральной частицы аксион, которая, согласно теории квантовой хромодинамики, должна быть чрезвычайно легкой (около 10 эВ). По предположениям ученых, именно аксионы должны составлять существенную часть холодной темной материи, чья гравитационная сила удерживает галактики от распада.
Автор статьи подчеркивает, что аксионы, видимо, являются темным домом для темной материи. Хотя многие физики придерживаются другой точки зрения – теории слабо взаимодействующих массивных частиц – «вимпов», однако усиленные поиски в этом направлении пока никак не доказали существование этих «вимпов». В проекте ADMX ученые планируют дать четкий ответ – являются ли аксионы составной частью темной материи нашей Вселенной или их вовсе не существует. 

В уходящем году было немало научных дискуссий и публикаций по тематике ТМ. На наиболее интересных моментах хотелось бы немного остановиться ниже. 

Так, по результатам компьютерного моделирования, ученые представляют распределение темной материи в нашей Вселенной.      Иллюстрация NASA

В последние годы усилия научного сообщества по поиску темного вещества заметно активизировались, причем в трех пространствах: под землей, на открытых площадках и в космосе. По уточненным данным телескопа «Планк» Европейского космического агентства, Большой взрыв, в результате которого родилась наша Вселенная, произошел 13 млрд 820 млн лет тому назад. Доля темного вещества в массе Вселенной оказалась немного больше, чем предполагалось раньше, – 26,8%, темной энергии чуть меньше – 68,3%, масса привычной нам материи составляет всего 4,9%. 

На ежегодном конгрессе Американского физического общества, состоявшемся в апреле 2013 года в Денвере (штат Колорадо), ученые обнародовали предварительные результаты экспериментов по поискам темного вещества, проведенных за последние годы в криогенной подземной лаборатории в штате Миннесота. 

Ученые утверждают, что детекторы лаборатории, находящиеся в глубокой шахте, где температурный режим аналогичен тому, что и в глубоком космосе, зафиксировали новую тяжелую частицу, которая, возможно, является неким базовым элементом темного вещества. По теоретическим оценкам, ее масса должна превышать массу протона примерно в девять раз, хотя в упомянутом эксперименте это выглядит значительно меньше. 

Европейские ученые, как и их американские коллеги, продолжают работать в тех же и в других направлениях. Так, например, недавно в престижном американском издании Physical Review Letters появилась публикация европейских ученых о предварительных итогах экспериментов, проведенных в подземной лаборатории в Италии по проекту Ксенон (Xenon). Цели те же – поиски темного вещества. Не исключено, что европейцы идут здесь по другому пути, что, безусловно, для самой науки является весьма позитивным явлением. 

Европейцы активно работают в двух основных плоскостях: под землей, в рамках программы БАК, и в космосе, где космический близнец БАК альфа-магнитный спектрометр (АМС), находящийся на борту МКС, с конца 2011 года, изучая космические частицы высокой энергии, целенаправленно отслеживает признаки проявления частиц темного вещества. На этом проекте надо более подробно остановиться. 

В опубликованной коллаборацией АМС в апрельском номере журнала Physical Review Letters статье утверждается, что детекторы этого космического телескопа, возможно, зафиксировали признаки взаимодействия темного вещества в спектре высоких энергий. Детекторы АМС круглосуточно фиксируют частицы космических лучей до их столкновения с атмосферой Земли. Причем главной целью является выявление из этого огромного массива частиц темного вещества.
За полтора года детекторы АМС «выдали на гора» сведения о более чем 30 млрд частиц космического излучения, не достигших атмосферных слоев. Пока обработано лишь около 10% этих данных. Для окончательной обработки потребуется пара лет, к тому времени свои исследования в этом направлении начнет и БАК. 

Детекторы АМС с большой точностью фиксируют число электронов и позитронов, проходящих через них космических лучей высокой энергии с привязкой к определенному периоду. В публикации особо выделяется необычный эпизод времени, если так можно выразиться, когда привычное соотношение между электронами и протонами заметно изменилось по сравнению с предыдущим периодом. Зафиксировано заметное снижение числа протонов, что, по мнению исследователей, возможно, свидетельствует об аннигиляции темного вещества.
В упомянутом эпизоде на 400 тыс. электронов приходится значительно меньше протонов, чем должно было быть по законам Стандартной модели. Значит, это признак каких-то столкновений на пути следования космических лучей: аннигиляция темного вещества или обычная аннигиляция вещества с антивеществом, приходящим к нам из далеких галактик. Продолжение этих исследований, как полагает профессор Сэм Тинг из группы АМС, и получение более конкретных сведений в детекторах позволят выявить параметры темного вещества. Частицы ТМ, по предположениям теоретиков, должны составлять массу, насчитывающую несколько сот гигоэлектроновольт, в то время как масса протока входящего в любой атом обычного вещества не превышает одного гигоэлектроновольта. 

Безусловно, АМС для сообщества европейских ученых – одно из главных направлений по поискам темного вещества. Как уже отмечалось, ведутся работы в подземных лабораториях, где детекторы вылавливают космические частицы, пропуская их через ксенон или аргон. Но самые большие надежды ученые возлагают на БАК, где предполагают на каком-то этапе осуществить искусственное производство частиц темного вещества. 

Комментируя по моей просьбе проблему сущности темного вещества и проводимых в этой сфере исследований, известный российский ученый, занимающийся квантовой механикой, академик РАН Самвел Григорян заявил, что в своих статьях, опубликованных несколько лет тому назад в российских и китайских научных изданиях, он четко высказался о том, что темное вещество представляет собой каскад частиц – остатков первых поколений звезд Вселенной. А темная энергия, возможно, в какой-то степени является гравитационным проявлением темного вещества. «Я уверен, что проводимые интенсивные экспериментальные исследования по поискам темного вещества в различных сферах пространства подтвердят мои теоретические предсказания», – подчеркнул Самвел Григорян, академик трех национальных академий – российской, китайской и армянской. 

Темнее некуда 

Безусловное превосходство европейской науки в открытии фундаментальной частицы Стандартной модели бозона Хиггса, как в теоретическом обосновании (что было отмечено Нобелевской премией 2013 года двух европейских ученых), так и в подтверждении этого в экспериментах на БАК, видимо, подтолкнет американское научное сообщество занять доминирующие позиции в поисках темной материи. Цель – заложить фундаментальные основы в создании Стандартной модели космологии (СМК). 

Это чем-то напоминает советско-американское соперничество в космосе в середине ХХ века, когда американские власти в интересах политического престижа и доказательства экономической мощи страны пошли на создание многомиллиардной программы по высадке первого человека на Луну. Что в конечном счете привело к американскому превосходству в космосе на долгие годы. Впрочем, темная материя манит не только американцев и европейцев. По мнению президента Академии наук КНР Лу Юнсяна, Китай должен внести свой весомый вклад в осуществление прорыва в познании Вселенной. С этой целью КНР планирует разработку современной аппаратуры для изучения темной материи и темной энергии, детекторов элементарных частиц в космосе и глубоко под землей, будут также построены для этих же целей несколько крупных телескопов в Антарктиде.