Ускоритель частиц мог бы создавать тёмную материю из пустого пространства

С количеством гравитации во Вселенной что-то не так.

Когда складываешь всю нормальную материю и гравитацию, которая должна с ней идти, в итоговых числах возникает расхождение.

Не маленькое, не капелька сверху, не единица там или ноль тут: гравитации гораздо больше, чем нормальной материи, которая могла бы её создать.

Мы называем неизвестный источник этого избытка гравитации тёмной материей. Учёные оценивают, что её примерно в пять раз больше, чем нормальной материи во Вселенной.

Это значит, что таинственная материя должна быть абсолютно везде — и, насколько физики могут судить, так оно и есть. Но мы до сих пор не знаем, что это, не говоря уже о том, как её создать.

Теперь теоретическая работа определила новый рецепт, который можно попробовать.

Что если, спрашивают теоретические физики Штефан Эванс и Ральф Шюцхольд из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе в Германии, мы просто возьмём группу атомных ядер и хорошенько их встряхнём?

Ладно, не буквально — и, очевидно, тут всё гораздо сложнее, чем маракас из ядра.

Но пара предлагает: если ядра ускорить достаточно сильно в ускорителе частиц, они могли бы возмутить квантовый вакуум именно так, чтобы произвести пары аксионов — гипотетических частиц, которые могли бы составлять тёмную материю.

«Ускоренные ядра, например, в ультрапериферических столкновениях тяжёлых ионов, могут создавать запутанные пары аксионов по аналогии с динамическим эффектом Казимира, который также можно интерпретировать как сигнатуры эффекта Унру», — объясняют они.

Что ж, разумеется. Но давайте всё же разберёмся подробнее.

Что такое аксионы

Эти гипотетические частицы существуют в физике почти полвека, хотя тёмная материя не была проблемой, которую они изначально должны были решить.

Эта проблема лежит в квантовой хромодинамике — теории, описывающей сильное взаимодействие, связывающее кварки в протоны и нейтроны, которые собираются в атомах, образуя ядро.

Квантовая хромодинамика допускает особый вид нарушения симметрии, который, по непостижимым для физиков причинам, просто не происходит. Эта часть не очень относится к делу, так что углубляться не будем.

Что важно: аксион возник из предложенного решения этой головоломки. Как неожиданный бонус, свойства гипотетической частицы также сделали её убедительным кандидатом в тёмную материю.

Это даёт аксиону ногу в двух мирах: квантовой хромодинамике и тёмной материи.

Именно нога в квантовой хромодинамике здесь важна.

Одна из многих странных вещей в квантовой хромодинамике — то, что даже кажущееся пустым пространство не является истинно пустым. Квантовый вакуум содержит фон, называемый кварковым конденсатом, состоящий из пар кварк-антикварк.

Внутри атомного ядра, однако, этот конденсат слабее — и это важно, потому что сила кваркового конденсата помогает определять эффективную массу аксиона.

Это значит: если аксионы существуют, внутри атомного ядра они должны быть эффективно легче, чем снаружи. Ядро становится для аксионов другой средой — примерно как вода является другой средой для света, чем воздух.

Это имеет значение даже когда никаких аксионов рядом нет.

Квантовая механика не позволяет даже полностью пустому пространству быть идеально однородным и неподвижным. Вместо этого поля, пронизывающие пространство, сохраняют неустранимый фон квантовой активности, известный как вакуумные флуктуации.

Одно странное следствие этих флуктуаций известно как эффект Казимира. Поместите два объекта чрезвычайно близко друг к другу — и они могут изменить, какие флуктуации возможны в пространстве между ними, по сравнению с пространством снаружи.

Возникающее изменение вакуумной энергии поля может создать измеримую силу между объектами.

В своей самой известной форме эффект Казимира включает электромагнитное поле и две близко расположенные проводящие пластины. Но та же физика в принципе может возникать и с другими квантовыми полями.

Эванс и Шюцхольд рассудили, что нечто похожее должно происходить с полем аксионов. Поскольку ядро меняет эффективную массу аксиона, оно должно также менять вакуумные флуктуации поля аксионов вокруг себя.

Их расчёты показывают: если поместить два ядра близко друг к другу, эти изменённые флуктуации должны создать притягивающую силу, подобную силе Казимира, между ними.

Ладно, у нас есть два ядра, которые стоят на месте и чувствуют лёгкое притяжение.

Но эффект Казимира делает нечто ещё более странное, когда что-то начинает двигаться нужным образом.

Если возмущающий квантовое поле объект меняется достаточно быстро, это возмущение может впрыснуть энергию в поле, превратив его вакуумные флуктуации в пары реальных частиц. Это динамический эффект Казимира, и это не просто теория. Физики видели, как он производит реальные фотоны.

Здесь и возвращается маракас из ядра.

Ядро уже меняет вакуумные флуктуации поля аксионов просто фактом своего существования. Но если ускорить это ядро достаточно сильно, область изменённого поля аксионов движется именно так, чтобы произвести динамическую версию эффекта Казимира.

Часть энергии, затраченной на быстрое ускорение ядра, может затем выйти в виде пары реальных, запутанных аксионов.

Эффект Унру

Странно, но есть другой способ понять тот же процесс.

Согласно эффекту Унру, наблюдатель, испытывающий постоянное ускорение, должен воспринимать то, что выглядит пустым пространством для неускоренного наблюдателя, как тёплую ванну из частиц. Чем сильнее ускорение, тем горячее кажущаяся ванна.

Так что с точки зрения ускоренного ядра пустой вакуум выглядел бы как приятная тёплая ванна из аксионов. Ядро могло бы рассеять аксион из этой ванны.

С нашей неускоренной точки зрения, однако, никакой ванны из аксионов нет — так что мы вместо этого увидели бы, как несущееся ядро, по-видимому, выталкивает пару запутанных аксионов из вакуума.

Звучит совершенно безумно и совершенно невозможно — но, как объяснили исследователи, технология для проверки идеи, возможно, уже есть.

Эванс и Шюцхольд предлагают ультрапериферические столкновения тяжёлых ионов как одну из возможных установок. Это почти-промахи между атомными ядрами, движущимися с релятивистскими скоростями, при которых их мощные электромагнитные поля взаимодействуют, а сами ядра не сталкиваются.

Во время такого близкого сближения ядра испытывают резкое изменение движения, которое требуется предложенному механизму.

Может не сработать. Оценённые шансы производства пары аксионов сильно зависят от массы аксиона. И даже если один будет произведён, его обнаружение — совершенно отдельная задача.

Может понадобиться чувствительный детектор тёмной материи на жидком ксеноне, например, и аксион должен полететь в нужном направлении, чтобы попасть в него. Так что, вероятно, будет очень трудно.

И всё же, возможно, стоит попробовать. В конце концов, нельзя сварить суп из аксионов, не разбив несколько яиц.

Источник:  https://earth-chronicles.ru/