Вселенная! Курс выживания среди черных дыр, временных парадоксов, квантовой неопределенности - Дэйв Голдберг

Нам нужно вычислить массу частицы темной материи и разобраться, в каких взаимодействиях эта частица участвует, а потом посмотреть, соответствуют ли эти данные суперсимметрии, теории струн или еще чему-нибудь. Однако получить частицы темной материи экспериментально очень трудно, поскольку они буквально утекают сквозь пальцы. Тем не менее мы располагаем несколькими способами узнать их характеристики.

1. Сделайте их сами.

В главе 4 мы уделили много времени разговору о том, как создавать в ускорителях массивные частицы вроде частицы Хиггса. А вдруг там можно создать и частицы темной материи? Конечно, частицы темной материи, как и нейтральную частицу Хиггса, руками не потрогаешь и на стол не положишь, но мысль эта здравая. Столкните друг с другом две частицы с достаточной энергией – и рано или поздно вы получите WIMP. Однако измерение их массы будет основано на том, чего мы не видим. Массой WIMP будет энергия, недостающая в балансе энергии столкновения (и масс сталкивающихся частиц) и энергий (и масс) вылетевших частиц.

2. Их полно кругом!

Мы уже говорили и снова повторим[143], что буквально купаемся в темной материи, но не в состоянии засечь ее прямо, не считая гравитации (которая у отдельных частиц пренебрежимо мала) или слабого взаимодействия (которое вообще пренебрежимо мало, и точка). Тем не менее кое-что нам под силу – например, сделать ванны из жидкости, которая, будучи предоставлена сама себе, ни с чем не взаимодействует. Едва ли не самое масштабное мероприятие такого рода – это проект XENON100, в котором участвует около 120 килограммов жидкого ксенона. Ксенон выбран потому, что в нормальных условиях он не взаимодействует с другими материалами и не распадается. По мысли исследователей, если поместить детекторы глубоко под землю и внимательно следить, чтобы туда не попадали космические лучи, то при нормальных обстоятельствах необъяснимых сигналов быть не должно.

Установив ванны и детекторы, ученые просто сидят и ждут, когда мимо проскочат частицы темной материи. Может статься, такая частица ударит в протон, а протон выдаст излучение, которое удастся засечь. Пока что ни одной частицы мы не видели, но возлагаем большие надежды на детекторы нового поколения – которые куда чувствительнее.

3. Пусть Вселенная потрудится за вас.

Главное в WIMP – то, что их полным-полно[144], пространство ими так и кишит. Как бы слабо они ни взаимодействовали, они все же вступают во взаимодействия. Что будет, если столкнуть WIMP и анти-WIMP? Как правило, ничего. Скорее всего они просто пройдут друг сквозь друга. А может быть, сделают то же самое, что делали все частицы и античастицы с начала времен, – уничтожат друг друга и создадут гамма-излучение. Если направить телескопы в нужную сторону, мы, вероятно, увидим свет, возникший в результате этих столкновений.

Предположительно смотреть стоит именно в ту сторону, где больше массы. Беда в том, что при таком подходе массу следует искать именно в центре галактики, а там происходит много других событий – например, в центральную черную дыру падает вещество, – отчего тоже возникает высокоэнергичное гамма-излучение. Отличить сигнал от помех будет очень трудно, поэтому пока что достоверных наблюдений сделано не было.

В 2008 году НАСА в сотрудничестве с министерствами энергетики США, Франции, Германии, Италии, Японии и Швеции запустило на орбиту гамма-обсерваторию им. Ферми. Этот космический телескоп позволит нам исследовать центр галактики, а также звездные скопления, потенциальные черные дыры и другие излюбленные места обитания темной материи.

Хотите верьте, хотите нет, а у темной материи остается все меньше тайных убежищ.

Мы, создатели «Руководства», считаем себя психологами-любителями[145]. Мы предполагаем, что люди увлекаются физикой, потому что боятся катаклизмов, черных дыр и конца света либо надеются все о них узнать. Ведь и вы, проезжая мимо автомобильных аварий, всегда притормаживаете, чтобы посмотреть, правда?

Мы не станем подвергать ваши стимулы сомнению, поскольку они такие же, как у нас, и неважно, здоровые они или нет. Мы уже уделили много времени разговорам об исчезновении черных дыр, которое ждет нас в далеком будущем, и о так называемом втором законе термодинамики, согласно которому с течением времени Вселенная превратится в тепловатый бассейн, в котором не будет никакой речи ни о структуре, ни о жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Мы даже упомянули о том факте, что Вселенная подвержена бесконечному экспоненциальному расширению, вызванному темной энергией. Оно будет продолжаться, пока каждая галактика не превратится в остров, полностью отрезанный от остальной Вселенной. Трудно представить себе более унылое будущее.

Но когда общаешься с физиком, всегда следует ожидать худшего. Что если мы вам скажем, что с течением времени сама материя будет медленно выкипать и испаряться?

Конец материи

Да, мы знаем, что всерьез испортим вам настроение, поэтому первым делом поймите, что все это случится далеко не завтра. Когда речь идет о галактиках, черных дырах и испаряющейся материи, мы говорим даже не о миллионах и не о миллиардах лет. Мы говорим о периодах времени в триллионы миллиардов раз больше нынешнего возраста Вселенной. Учитывая, сколько гадостей произойдет за это время, гибель материи можно смело поместить в самый низ перечня ваших страхов.

Задаваясь вопросом о распаде материи, мы с практической точки зрения задаемся вопросом о распаде протонов. Мы уже говорили, что при всяком удобном случае нейтрон распадается на протон и кое-что еще, но только потому, что он тяжелее протона. Протон – самый легкий из барионов, поэтому мы ожидаем, что он сколько-то проживет.

Вопрос в том, сколько именно, и на это стандартная модель дает простой недвусмысленный ответ. Вечно. Протоны не распадаются, поскольку общее число барионов должно сохраняться. Поскольку протон – самый легкий барион, распадаться ему не на что.

Но если эта глава чему-то успела вас научить, так это тому, что стандартная модель отвечает отнюдь не на все вопросы. Если реакция идет в одном направлении, значит, должна иметь место и обратная реакция. Наверняка когда-то, еще во время Большого взрыва, было время, когда барионы создавались из ничего. С этой научной проблемой мы встретились в главе 7, когда обнаружили, что если бы барионы с антибарионами всегда создавались только парами, то и аннигилировать они должны тоже парами. Вы живое и ходячее доказательство того, что в какой-то момент все-таки имело место превосходство барионов над антибарионами! Вам повезло.