Стрела времени может привести нас к темной материи

До сих пор это была история триумфа. Вопрос, который мы поставили в начале, одна из самых сложных головоломок о том, как работает мир, получил частичный ответ: глубокий, прекрасный, плодотворный.

Но в этом яблоке есть червячок.

Через несколько лет после работы Кобаяси и Маскавы, Джерард т’Хоофт обнаружил лазейку в их объяснении Т-инвариантности. Сакральные принципы позволяют дополнительный вид взаимодействия. Возможное новое взаимодействие довольно тонкое, и открытие т’Хоофта стало сюрпризом для большинства физиков-теоретиков.

Новое взаимодействие, в случае присутствия с существенной силой, нарушило бы Т-инвариантность в гораздо более очевидной степени, чем эффект, открытый Кронином, Фитчем и их коллегами. В частности, оно позволило бы вращению нейтрона вырабатывать электрическое поле, в дополнение к магнитному полю, которое он может вызывать. (Магнитное поле вращающегося нейтрона — аналог того, что производит наша вращающаяся Земля, хотя и в совершенно других масштабах). Экспериментаторы усиленно искали такие электрические поля, но их поиски не приносили результатов.

Природа словно не хочет использовать лазейку т’Хоофта. Конечно, это ее право, но это право снова поднимает наш вопрос: почему природа так тщательно следует Т-инвариантности?

Предлагалось несколько объяснений, но только одно прошло проверку временем. Центральная идея принадлежит Роберто Пеццеи и Хелен Квинн. Их предложение, как у Кобаяси и Маскавы, включает расширение Стандартной модели особым образом. К примеру, через нейтрализующее поле, поведение которого особенно чувствительно к новому взаимодействию т’Хоофта. Если присутствует новое взаимодействие, нейтрализующее поле подстраивает собственную величину, чтобы компенсировать влияние этого взаимодействия. (Этот процесс подстройки в общем похож на то, как отрицательно заряженные электроны в твердых веществах собираются вокруг положительно заряженных примесей и экранируют их влияние). Такое нейтрализующее поле, получается, закрывает нашу лазейку.

Пеццеи и Квинн забыли о важных проверяемых последствиях своей идеи. Частицы, производимые их нейтрализующим полем — ее квантами — должны обладать замечательными свойствами. Поскольку они забыли о своих частицах, они их также и не назвали. Это позволило мне осуществить мечту детства.

За несколько лет до этого я увидел в супермаркете ярко раскрашенную коробку с названием «Аксион» (Axion). Мне показалось, что «аксион» звучит как частица и, вроде бы, таковой является. Поэтому когда я обнаружил новую частицу, которая «очищает» проблему с помощью «осевого» (axial) потока, мне показалось, что выпал шанс. (Скоро я узнал, что Стивен Вайнберг тоже обнаружил эту частицу, независимо. Он назвал ее «хигглет». К счастью, он согласился отказаться от этого названия). Так началась эпопея, заключение которой только осталось написать.

В хрониках Particle Data Group вы найдете несколько страниц, охватывающих десятки экспериментов, описывающих безуспешные поиски аксиона. Но поводы для оптимизма еще есть.

Теория аксионов предсказывает, в общих чертах, что аксионы должны быть очень легкими, очень долгоживущими частицами, которые слабо взаимодействуют с обычной материей. Но чтобы сравнивать теорию и эксперимент, нужно опираться на числа. И здесь мы сталкиваемся с двусмысленностью, поскольку существующая теория не фиксирует значение массы аксиона. Если бы мы знали массу аксиона, мы бы предсказали и остальные его свойства. Но сама масса может быть в широком промежутке значений. (Та же проблема была с очарованным кварком, частицей Хиггса, топ-кварком и несколькими другими. До обнаружения каждой из этих частиц, теория предсказала все их свойства, кроме значения массы). Оказалось, что сила взаимодействия аксиона пропорциональна его массе. Поэтому по мере уменьшения значения массы аксиона, он становится все более неуловимым.

Раньше физики были сосредоточены на моделях, в которых аксион тесно связан с частицей Хиггса. Предположили, что масса аксиона должна быть порядка 10 кэВ — одна пятидесятая массы электрона. Большинство экспериментов, о которых мы сказали ранее, искали аксион именно такого плана. В настоящее время мы можем быть уверены, что таких аксионов не существует.

И поэтому внимание обратили на гораздо меньшие значения масс аксиона, которые не были исключены экспериментально. Аксионы такого рода вполне естественно возникают в моделях, объединяющих взаимодействия в Стандартной модели. Они также возникают в теории струн.

Мы рассчитали, что аксионы должны были в изобилии производиться в течение первых моментов Большого взрыва. Если аксионы вообще существуют, то аксионная жидкость наполняет Вселенную. Происхождение аксионной жидкости грубо напоминает происхождение знаменитого космического микроволнового фона, но есть три крупных различия между двумя этими понятиями. Первое: микроволновый фон наблюдается, а аксионная жидкость остается сугубо гипотетической. Второе: поскольку аксионы обладают массой, их жидкость влияет на общую плотность массы Вселенной. По сути, мы подсчитали, что их масса должна грубо соответствовать массе, которую астрономы определили за темной материей! Третье: поскольку аксионы так слабо взаимодействуют, их должно быть сложнее наблюдать, чем фотоны реликтового излучения.

Экспериментальный поиск аксионов продолжается на нескольких фронтах. Два из самых многообещающих экспериментов нацелены на поиск аксионной жидкости. Один из них, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), использует специальные сверхчувствительные антенны для преобразования фоновых аксионов в электромагнитные импульсы. Другой, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), ищет крошечные колебания в движении ядерных спинов, которые могут быть вызваны аксионной жидкостью. Помимо этого, эти сложные эксперименты обещают покрыть почти весь диапазон возможных масс аксиона.

Существуют ли аксионы? Мы пока не знаем. Их существование привнесет в историю обратимой стрелы времени драматическое и удовлетворительное заключение, а также, возможно, решит загадку темной материи в придачу. Игра началась.