Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Однако даже в этом случае нет никакой гарантии, что частицы темной материи будут обнаружены. В конце концов, темная материя почти не вступает во взаимодействие с частицами Стандартной модели, а потому получить ее непосредственно в коллайдере или обнаружить при помощи детектора наверняка не удастся. Даже если нужная частица будет получена, она пролетит через детектор насквозь и не оставит никаких следов. Тем не менее отчаиваться рано, даже если частица скрытой массы улизнет от нас. Любое решение проблемы иерархии будет связано с другими частицами, большинство из которых взаимодействуют гораздо активнее. Некоторые из них, возможно, удастся получить не один раз, а при их распаде, опять же возможно, получится частица темной материи, которая затем улетит, унося с собой часть импульса и энергии.

Лучше всего из моделей слабого масштаба, о которых идет речь и которые могут естественным образом содержать достойного кандидата на роль темной материи, изучены на данный момент суперсимметричные модели. Если суперсимметрия действительно применима к нашему миру, то вполне возможно, что именно легчайшая суперсимметричная частица LSP и составляет темную материю. Эта легчайшая частица, несущая нулевой электрический заряд, взаимодействует слишком слабо и возникает сама по себе слишком редко, чтобы ее можно было обнаружить. Однако глюино, суперсимметричные партнеры переносчиков сильного взаимодействия глюонов, и скварки, суперсимметричные партнеры кварков, по идее должны возникать, если они в принципе существуют и находятся в подходящем диапазоне масс. Как уже обсуждалось в главе 17, обе эти суперсимметричные частицы в конце концов должны распадаться с образованием LSP. Так что, несмотря на то что частицы темной материи не получится создать непосредственно, они должны все же возникать при распаде других, более часто встречающихся частиц с достаточной частотой, чтобы их можно было обнаружить.

Другие гипотезы о темной материи в слабом масштабе, имеющие проверяемые следствия, придется разрабатывать примерно так же. Масса частицы, составляющей темную материю, так или иначе должна лежать в диапазоне слабого взаимодействия, изучением которого займется БАК. Эти частицы не удастся получить непосредственно из‑за их слабой активности, но многие модели предусматривают существование других частиц, которые должны распадаться, образуя именно темные частицы. В этом случае нам, возможно, удастся убедиться в существовании частицы темной материи, а также узнать ее массу по недостающему импульсу.

Обнаружение темной материи на БАКе было бы, безусловно, серьезным достижением. Ученые смогли бы подробно исследовать хотя бы некоторые из ее свойств. Однако для того, чтобы по–настоящему убедиться в том, что обнаруженная частица в самом деле составляет темную материю, потребуются дополнительные доказательства, которые нам, может быть, помогут получить наземные и космические детекторы.

Перспектива получить темную материю в коллайдере, несомненно, вызывает сильнейший интерес. Но следует заметить, что большинство космологических экспериментов проходит не в ускорителях. Ответы на космологические вопросы и информацию, которая помогает хотя бы чуть лучше разобраться в ситуации, чаще всего получают в ходе специальных экспериментов на Земле и в космосе, посвященных астрономическим вопросам и поиску темной материи.

Конечно, темная материя почти не взаимодействует с обычным веществом, поэтому поиски, ведущиеся в настоящее время, основаны на достаточно вольном предположении о том, что темная материя, несмотря на почти полную невидимость, тем не менее взаимодействует — слабо, но реально — с известным нам веществом (из которого мы, кстати говоря, можем построить детекторы). И это не просто попытка принять желаемое за действительное. Это предположение основано на некоторых расчетах, связанных с реликтовым излучением (о них уже упоминалось ранее); эти расчеты показывают, что если темная материя связана с моделями, предложенными для решения проблемы иерархии, то плотность оставшихся частиц вполне соответствует результатам наблюдения за темной материей. Многие WIMP–кандидаты на роль темной материи, предложенные на основании этих расчетов, взаимодействуют с частицами Стандартной модели с частотой, которую, вполне возможно, удастся обнаружить при помощи современных детекторов.

Но даже в этом случае, поскольку темная материя чрезвычайно неохотно вступает во взаимодействие, для ее поиска потребуются либо громадные детекторы на Земле, либо очень чувствительные детекторы (на Земле или в космосе), которые будут искать продукты, возникающие при встрече и аннигиляции темной материи, а также при рождении новых частиц и античастиц. Вероятность выиграть в лотерею, купив всего один билетик, очень мала, но если приобрести больше половины всех имеющихся билетиков, то у игрока будут очень неплохие шансы. Точно также очень большой детектор, судя по всему, имеет шанс обнаружить темную материю, хотя вероятность того, что темное вещество взаимодействует с каждым конкретным ядром в детекторе, чрезвычайно мала.

Сложнее всего детектору будет зарегистрировать нейтральные — незаряженные — частицы темной материи, а затем отличить их от космических лучей или другого фонового излучения. Частицы, не несущие на себе заряда, не взаимодействуют с детектором традиционными способами. Чтобы частица темной материи оставила след в детекторе, нужно, чтобы она столкнулась с атомными ядрами в детекторе и хотя бы чуть–чуть поменяла их энергию. Поскольку это будет единственным наблюдаемым следствием такого пролета, детекторы темной материи поневоле должны будут регистрировать крохотные количества тепловой энергии или энергии отдачи, переданной детектору. Чтобы зафиксировать и измерить эту энергию, детекторы должны быть либо очень холодными, либо очень чувствительными.

Очень холодные устройства, известные как криогенные детекторы, регистрируют небольшое количество тепла, которое выделяется при входе частицы темной материи в аппарат. Небольшое количество тепла, полученное и без того горячим детектором, было бы слишком трудно заметить, но специально разработанные холодные детекторы на это способны. Криогенные детекторы изготавливают с применением кристаллического поглотителя, такого как германий. Среди экспериментальных установок такого рода можно назвать CDMS (Cryogenic Dark Matter Search — криогенный детектор темной материи), CRESST и EDELWEISS.

К другому классу детекторов непосредственного действия относятся детекторы на инертных газах в жидком состоянии. Темная материя непосредственно не взаимодействует со светом, но энергия, получаемая атомом ксенона или аргона при столкновении с ним частицы темной материи, может вызвать характерную вспышку. Эксперименты с ксеноном включают XENON100 и LUX, среди экспериментальных установок с другими благородными жидкостями можно назвать ZEPLIN и ArDM.

В теоретическом и экспериментальном физических сообществах каждый желает знать, какие новые результаты ожидаются от этих экспериментов. Мне повезло побывать на конференции по темной материи в Санта–Барбаре, организованной в декабре 2009 г. двумя учеными — Дагом Финкбейнером и Нилом Вейнером; в то время CDMS, один из наиболее чувствительных экспериментов по регистрации темного вещества, как раз должен был выдать новые результаты. Даг и Нил — молодые друзья–ровесники, одновременно получившие магистерские степени в Беркли; мало того, они к тому же оба прекрасно разбираются в экспериментах по темной материи и в том, каких результатов от них можно ожидать. Нил занимался в основном физикой элементарных частиц, а Даг — астрофизикой, но тема темной материи объединила их обоих. На конференции им удалось собрать теоретиков и экспериментаторов — ведущих специалистов по этому вопросу.