Найдем ли мы когда-нибудь во Вселенной темную материю?

Космология достигла впечатляющих успехов. Исследования, проведенные учеными за прошедшие десятилетия, позволили человечеству реконструировать в мельчайших подробностях историю становления нашей вселенной. Нам известно, — и сейчас мы увереннее можем это утверждать, — как именно вселенная развивалась на протяжении большей части своей истории и в силу каких причин. Теперь вселенная стала более понятной для нас, чем прежде.

И все-таки кое-что осталось за гранью понимания. Несмотря на все наши старания, мы так и не можем до сих пор объяснить некоторые явления во вселенной. И, возможно, самая известная из этих тайн — темная материя. Используя современные методы, ученые с высокой точностью определили количество всей материи во вселенной и, как оказалось, оно намного превосходит обычную материю, существующую в виде атомов. После обширной научной дискуссии, длившейся на протяжении нескольких десятилетий, ученые пришли к следующему выводу: бóльшая часть (т. е. около 84%) материи во вселенной состоит отнюдь не из атомов или каких-либо других известных видов материи, а из чего-то другого, причем оно не излучает, не отражает свет и не поглощает его. За неимением лучшего мы называем это загадочное нечто «темной материей». Однако назвать — не значит понять.

Десять лет назад многим специалистам в области космологии, включая меня, вдруг подумалось, что у нас, наконец, появилась неплохая гипотеза о сущности темной материи. Выдвинутые нами аргументы базировались на том, что темная материя образовалась в течение первых долей секунды после Большого взрыва. По нашим расчетам, общее количество частиц темной материи, образовавшихся в ранней Вселенной, которая затем пережила Большой взрыв, должно зависеть от степени взаимодействия этих частиц между собой и с обычными формами материи. Основываясь на проведенных нами расчетах, мы пришли к выводу, что это взаимодействие темной материи должно осуществляться посредством так называемого слабого ядерного взаимодействия или какой-то другой неизвестной еще силы, равномощной слабому взаимодействию. Мы назвали такие частицы Вимпами (от англ. WIMP «weakly interacting massive particles» — слабовзаимодействующие массивные частицы — прим. редакции ИноСМИ), и они стали лучшим кандидатом на роль частиц темной материи.

Если темная материя действительно состоит из Вимпов, то у нас должна быть возможность проводить эксперименты, которые могли бы непосредственно обнаруживать и измерять отдельные частицы темной материи. С этой целью небольшой коллектив физиков начал создавать сверхчувствительные детекторы для обнаружения темной материи; ученые стали размещать их в глубоких подземных лабораториях, укрыв их от космического излучения. В то время казалось, что шансы довольно велики, и данный подход приведет к открытию. Словом, в 2005 году я держал пари, что частицы темной материи будут обнаружены в течение десяти лет. И это пари я, увы, проиграл. С технической точки зрения эксперименты были выполнены превосходно. Но ожидаемых результатов ученые не получили. Но, оказалось, что и это еще полбеды. Выяснилось, что Большой адронный коллайдер, который начал свою работу как раз в те времена, не обнаружил никаких признаков темной материи. Из проведенных экспериментов мы узнали, что темная материя — вопрос гораздо более сложный, чем нам думалось.

Наша неспособность обнаружить частицы темной материи оказала ощутимое влияние на научное сообщество. Не исключаю, что мы находимся где-то в двух шагах от решения проблемы. Однако, большинство из тех, кто сегодня занимается темной материей, признает, что многие из наших любимых кандидатов на роль темной материи уже давно должны были быть обнаружены, но этого не случилось. Все это заставило ученых обратить внимание на новые, подчас противоречащие друг другу, гипотезы, что привело к появлению большого числа теоретических работ, связанных с темной материей и ее природой.

Согласно одной из популярных гипотез, появившихся недавно, темная материя может состоять не из одного, а из нескольких видов частиц, из которых сформирован так называемый «скрытый сектор». Далее, частицы скрытого сектора, могут взаимодействовать, в основном, только друг с другом, а с прочими известными формами материи — практически никогда. Именно этот факт объясняет, почему их так трудно обнаружить в экспериментах, проводимых в подземных условиях, или получить на Большом адронном коллайдере. Эти частицы, формирующие скрытый сектор, вполне могли появиться в ранней вселенной и вступать в очень сложные взаимодействия под действием сил, о которых мы не имеем представления. Физики, изучающие элементарные частицы, предлагают множество теорий, в которых взаимодействие между различными видами скрытой материи явилось условием непрерывного образования темной материи на стадии ранней вселенной. На самом деле физикам было несложно выдвигать подобные теории, объясняющие сущность скрытого сектора.

Другая гипотеза касается не столько темной материи как таковой, сколько пространства, которое она занимала в первые доли секунды после Большого взрыва. При использовании уравнений общей теории относительности для расчета скорости расширения пространства мы учитываем все известные формы материи и энергии, включая все виды частиц, которые мы наблюдали на Большом адронном коллайдере. Но вполне вероятно, что в ранней вселенной присутствовали другие формы материи, о которых мы пока не имеем представления. В таком случае наша вселенная, возможно, расширялась совсем не так, как мы себе представляли. И если ранняя вселенная расширялась с иной скоростью, нежели предполагали ученые (т.е. если она расширялась быстрее или медленнее), то и взаимодействие частиц темной материи на протяжении этой эпохи было иным и, следовательно, другим было количество оставшегося вещества, которое называют темной материей.

Для описания процесса расширения и развития вселенной, который происходил в течение первой секунды после Большого взрыва, мы можем выдвигать множество разных гипотез. Вполне возможно, что скорость расширения увеличилась благодаря воздействию каких-то неизвестных форм материи и энергии. А может быть, на скорость расширения повлияли какие-то еще более неожиданные факторы, проявившиеся в самые первые мгновения после взрыва. Быть может, в самом начале, в течение своей первой секунды, вселенная внезапно расширилась на какой-то миг, или в какой-то момент пережила резкий фазовый переход. А может, все было по-другому: возможно, существует какая-то разновидность частиц, которые при распаде нагревали вселенную, тем самым изменив ее эволюцию. Гипотезы здесь можно выдвигать самые разные. И все они могли бы пролить свет на процесс формирования темной материи и на первые мгновения жизни нашей вселенной. Если бы ученые узнали, что именно произошло тогда, то наши представления о сущности темной материи почти наверняка изменились бы, и нам сразу стало бы ясно, какие эксперименты следует провести, чтобы ее обнаружить. Быть может, в этом случае нам удастся ответить на вопрос, почему темная материя так долго остается неуловимой.

Замечательные результаты, полученные при проведении экспериментов на подземных детекторах, предназначенных для улавливания темной материи, и на Большом адронном коллайдере, заставили космологию пересмотреть свои постулаты. Судя по всему, темная материя сильно отличается от самых распространенных представлений о ней. Неуловимость темной материи заставила нас отказаться от множества столь дорогих нашему сердцу теорий и перейти к выдвижению принципиально новых гипотез относительно этой субстанции и условий, в которых она сформировалась в первые мгновения после Большого взрыва.

Стремясь постичь природу темной материи, мы надеемся не только обнаружить частицы этой субстанции, из которой состоит бóльшая часть материи во вселенной, но и узнать о самых первых мгновениях истории вселенной. В этом смысле темная материя позволяет нам подступиться к описанию Большого взрыва. Я не сомневаюсь, что самые первые мгновения этого грандиозного события содержат ключ к неразгаданному и неведомому. Однако вселенная строго охраняет свои тайны. Сможем ли мы эти тайны постичь, — все это будет зависеть от нас.

Дэн Хупер — старший научный сотрудник Национальной лаборатории ускорителей им. Энрико Ферми и профессор астрономии и астрофизики Чикагского университета. Он автор книги «На краю времени: исследуя тайны первых секунд нашей Вселенной» (At the Edge of Time: Exploring the Mysteries of Our Universe's First Seconds).