Темная материя для темного сознания

В 2017 году физики опять не нашли темную материю, и у многих из них лопнуло терпение. Эта заметка призвана объяснить широкой публике, почему они из-за этого так нервничают.

Сначала факты. В октябре минувшего года опубликованы результаты  эксперимента XENON1T, проводившегося в итальянской лаборатории Гран-Сассо, а также аналогичного проекта китайских физиков PandaX. Несколько лет физики (вернее, придуманные ими детекторы) дежурили возле огромных баков с жидким ксеноном. Физики ожидали, что вот сейчас туда залетит частица темной материи, врежется в ядро ксенона и вызовет вспышку света. Но тщетно: вспышек не было.

И это не единственный опыт с отрицательным результатом: подобные эксперименты ведутся вот уже три десятилетия. Единственный обнадеживающий результат был получен в тех же горах Гран-Сассо, и мы о нем писали, но этот опыт так и не удалось воспроизвести. В ноябре этого года мелькнул еще один лучик надежды : ранее в космических лучах наблюдался избыток позитронов, про который думали, что он может быть от аннигиляции темной материи, а может быть просто мусором, выбрасываемым парочкой ближних пульсаров. Так вот, оказалось, что на пульсары этот избыток списать нельзя. По принципу «Если не шмутин, то кто» следовало бы приписать его темной материи. Однако все понимают, насколько вилами по воде писаны подобные интерпретации методом исключения — может, настоящий кандидат просто не был допущен к выборам?

Таким образом, вердикт таков: темную материю давно пора бы найти, но ее пока нет как нет.

Автор этих строк — физик разве что по диплому, и потому ему особенно легко поставить себя на место невежественного или, назовем его так, чистосердечного читателя. Для такого читателя нет ничего скучнее, чем какой-то там избыток позитронов или даже вспышки в чане с жидким ксеноном. Ему (то есть мне и вам) интересно вот что: каким образом эта самая темная материя — или тот факт, что ее все нет и нет, — меняет мое представление о мире? Это мы сейчас и попытаемся совместными усилиями понять.

О коварстве природы

Напомним в двух словах предысторию: о том, что кроме обычной материи есть еще и «темная», первыми догадались астрономы. Они заметили, что галактики раз этак в пять тяжелее, чем суммарное количество всей видимой материи в них (то есть звезд, газа, пыли, черных дыр и т. п.). На первый взгляд объяснить такое легче легкого: существуют, значит, какие-то частицы, которые ни с чем никогда не взаимодействуют, кроме как посредством гравитации. Разумеется, по причине гравитации они будут собираться в сгусток вокруг каждого кусочка обычной материи, вроде галактик, так что к любой видимой массе добавится невидимая. А вот никакого другого способа их наблюдать в принципе быть не может. Раз уж они по определению «ни с чем не взаимодействуют», то в это «ни с чем» попадают и любые мыслимые приборы. Почему бы просто не предположить существование таких частиц и не перейти к более интересным делам?

Во времена Ньютона ничто не мешало так и поступить. В те золотые годы законы физики казались чем-то вроде оправы ювелирного украшения: вставьте в нее любые камни, какие вам заблагорассудится, и они обязаны подчиняться узору. Но с тех пор все сильно усложнилось: оказалось, что камни и оправа не существуют независимо друг от друга. «Законы физики» и «подчиняющаяся им материя» — это одно и то же. А значит, стоит предположить существование такой-то и такой-то частицы — и приходится в угоду ей менять всю физику.

Началось это, наверное, в 1928 году, когда Поль Дирак понял, что если есть на свете электрон, то просто обязан существовать и позитрон. Теория сложна, но лежащая в основе логика столь же банальна, как в рассуждении: «Если бывает мяч, летящий вправо, то может быть и мяч, летящий влево». С тех пор оказалось, что такого рода симметрий в природе полным-полно. В симметричную композицию невозможно что-то добавить по собственному произволу, и чем сложнее симметрия, тем ограниченнее возможности декоратора. Именно симметрия общей картинки, кстати, требовала существования бозона Хиггса, который искали целых полвека, но все же нашли.

Таким образом, мы не можем просто так добавить к картине мира новую частицу: надо найти ей место в симметрии вещей. То же самое можно сказать и другими словами: надо объяснить, как именно эта частица образовалась из невнятного высокоэнергичного месива Большого взрыва и почему этих частиц сейчас ровно столько, а не любое другое произвольное количество, в том числе «нуль».

О толстых рохлях

В физике оставалось не так уж много мест, куда можно было безболезненно воткнуть частицы темной материи, да еще в таких количествах, чтобы они составили 4/5 всего сущего. Одно из таких мест — «слабо взаимодействующие массивные частицы», или WIMPs. Название обидное (так еще называют толстых и безобидных американских очкариков, которых все дразнят и бьют), но зато, если предположить буквально вот эти два свойства — массивные и слабо взаимодействующие, — происходит чудо: оказывается, что в результате всей эволюции вселенной от Большого взрыва до наших дней этих рохлей должно было остаться ровно столько, сколько и наблюдается темной материи.

Мы тут неспроста упомянули об «общей картинке», для завершения которой физикам до такой степени был необходим бозон Хиггса, что человечество угрохало миллиарды на его открытие. Эта картинка называется Стандартная модель, она включает в себя все известные частицы, и уж в ней-то никакого места для «вимпов» точно не было. Но Стандартная модель может быть немножечко расширена без ущерба для общей логики. Одно из таких продолжений называется суперсимметрией, и о ней важно знать, что вот в нее-то «вимпы» вписываются безукоризненно. О том, как суперсимметрия сразу все объясняет, можно прочитать в очаровательной книжке Гордона Кейна «Суперсимметрия», читайте на здоровье. А тут мы ее упомянули потому, что именно на гипотезе «вимпов» и, скорее всего, суперсимметричных «вимпов» базируется большинство попыток обнаружить темную материю. Вот эти лишние позитроны, которые у нас в начале заметки упоминались, — они как раз должны появиться при этих предположениях. И те вспышки в жидком ксеноне, которых так и не дождались итальянские и китайские физики, тоже. И на Большом адронном коллайдере давно бы уже должен быть открыт «легчайший суперсимметричный партнер».

А раз все это не открыто, возможно, мир устроен совсем по-другому.

Об отчаявшихся физиках

Отчаявшиеся физики собрались на конференцию в Университете Мэриленда еще в марте 2017 года — за полгода до того, как итальянцы и китайцы официально объявили о своих неудачах. Обсуждали они там следующее: если самое естественное расширение границ физики — суперсимметрия — ровным счетом ничем не подтверждается, возможно, место для темной материи надо искать не там. Может, вместо того чтобы расширять границы старого дачного участка, надо осваивать совершенно новый надел, на вырубке среди густого леса. Физики назвали это гипотетическое место «темным» или «теневым сектором» (кажется, вы еще услышите этот никнейм). Теоретики быстро прикинули, каким он мог бы быть. Там, например, мог бы водиться массивный фотон, который иногда «подмешивался» бы к обычному фотону… Простому человеку в таких вещах ни за что не разобраться, но зато отсюда следует, что темную материю искали совсем не там.

И самое главное: ее частицы должны быть куда легче, чем о них думали. Не тысячи масс протона, а порядка одной. У таких частиц чаны с жидким ксеноном вызывают лишь презрительный смех. Если вы любите биллиард (или его высшую разновидность снукер), то должны знать, что больше всего энергии (а именно всю) шар передает при лобовом ударе другому шару такой же массы. А вот от массы значительно большей — от бортика стола, к примеру — он, скорее всего, отскочит со всей своей первоначальной энергией. Поэтому легкие частицы темной материи надо ловить не в ксеноне, а, например, в жидком гелии. И буквально тотчас же после своей конференции отчаявшиеся — нет, снова опьяненные безумной надеждой — физики предложили эксперимент, позволяющий это сделать.

Остается найти на это деньги, и дело в шляпе. Если, конечно, новые предположения о «теневом секторе» действительно верны. Все же не стоит забывать, что они выглядят достаточно безумно не только для нас, невежественных профанов, но и для большей части научного сообщества.

О безумцах

Наш рассказ о приключениях ученых в мире темной материи будет неполным, если не упомянуть об Эрике Верлинде. В поисках выхода из этого физического лабиринта Эрик Верлинде пошел дальше всех: по его мнению, никакой темной материи просто нет, нечего ее и искать. А как же целый век астрономических наблюдений за движением звезд в галактиках?! Да проще простого, говорит Эрик: они основаны на предположении, что все должно подчиняться эйнштейновским законам гравитации, а законы эти — чепуха.

Верите вы нам или нет, но мир полон недоучившихся придурков, считающих Эйнштейна недотепой. Они, собственно, образуют довольно толстую злокачественную прослойку между учеными и публикой, которая мешает им нормально общаться друг с другом, заглушая разговор бессмысленными выкриками. Именно эта прослойка в свое время с восторгом приняла теорию под названием MOND — «модифицированную Ньютонову динамику», которая, как предполагается, напрочь опровергает Эйнштейна. Беда этой теории в том, что она ровным счетом ниоткуда не следует.

Но доктор Верлинде не невежественный безумец, а именитый струнный теоретик из Амстердамского университета (я надеюсь, все понимают разницу). Свой вариант MOND он не высосал из пальца, а вывел из тех самых замороченных уравнений (мы о них многажды писали), которые позволяют струнщикам легко упразднять гравитацию, прыгая в мир с другим числом измерений. «Для меня гравитации не существует», — сказал доктор Верлинде еще семь лет назад. А раз гравитации нет, то нет и единственного аргумента, заставляющего физиков искать темную материю.

Об Эрике Верлинде и его революционных (или сумасбродных) идеях рекомендуем почитать. Поверхностному читателю (равно как и поверхностному автору, вроде вашего покорного слуги) позволительно ограничиться следующим тезисом: если темную материю не найдут ни там, ни тут и нигде, самые безумные теории, в том числе и идеи Верлинде, придется рассматривать куда серьезнее, чем на них смотрят сейчас. Возможно, настанет праздник и на улице безумцев, обсуждающих в фейсбуке, какой Эйнштейн глупенький.

Не хотелось бы, но что если такова логика развития науки?

Почему 2017 год — год темной материи?

Настоящий год темной материи настанет, когда ее наконец откроют. Но пока этого не произошло, 2017-й — лучший кандидат. В минувшем году физики, кажется, очень серьезно задумались о том, что не всегда все складывается так удачно, как вышло с бозоном Хиггса. Иногда вроде по всем признакам должно быть так, а оно ррраз! — и вот этак. Это соображение, конечно, не помешает им просить у налогоплательщиков все больше денег на дорогостоящие эксперименты, но, возможно, откроет новые горизонты понимания мира. Или хотя бы понимания того факта, насколько неправильно они все понимали до сих пор.

И мы, невежественная публика, не будем злорадствовать, а наоборот, поаплодируем им. Такие лихие виражи познания учат смирению не только ученых, но и нас, невежественную публику. Хотя у нас, в отличие от ученых, при любом раскладе достаточно поводов для смирения.

* * *

Когда эта статья была уже написана, с восхищением перечитана самим автором и поставлена в очередь на новогоднюю неделю, двое теоретиков из Калифорнии опубликовали работу, из-за которой приходится снова садиться за клавиатуру, невзирая на праздничное настроение. В работе обсуждаются разные следствия из наблюдений за слиянием нейтронных звезд, от которого до нас долетели гравитационные волны. И одно из следствий таково: подавляющее большинство вариантов «модифицированной гравитации» можно считать окончательно опровергнутыми. Самые замороченные разновидности — вроде той, что проповедует уважаемый профессор Верлинде, — могут пережить это потрясение, но ценой таких усложнений, что лучше бы им умереть, не мучаясь. Таким образом, последний раздел нашей заметки представляет теперь лишь исторический интерес. Собственно, все обзоры «научных достижений года» именно таковы: годы идут, и достижения меняются. Seu plures hiemes, seu tribuit Juppiter ultimam? (Horatio).

Алексей Алексенко

Комментарии запрещены.

Блог на WordPress.com. Тема: Baskerville 2, автор: Anders Noren.

Вверх ↑

%d такие блоггеры, как: