Маленькая книга о Большом взрыве

Начиная с 1998 года это мнение становилось все менее популярным. Эксперименты, проведенные в японской нейтринной обсерватории Super Kamiokande, показали, что три аромата нейтрино (мы уже говорили о них в главе 6) превращаются один в другой во время осцилляций[20]. Эти осцилляции похожи на звуки, которые вы слышите, когда ударяете по клавишам на слегка расстроенном пианино. Точно так же, как частота акустических биений представляет собой разницу между частотой отдельных звуков, так и частота осцилляций нейтрино зависит от разницы между массами нейтрино разных ароматов. Если массы равны нулю, колебаний не возникает.

Поскольку осцилляции нейтрино не выдумка, мы точно можем сказать, что у нейтрино есть определенная масса. К сожалению, нейтрино – весьма пугливые частицы, и вычисление их массы уже несколько десятилетий остается предметом головной боли для физиков-экспериментаторов. Эксперименты, проводимые с осцилляциями, показывают, что нейтрино свойственно крохотное расхождение в массе, а это значит, что и сама масса должна быть крохотной. В то же время эксперименты, направленные непосредственно на вычисление массы, свидетельствуют о том, что масса нейтрино должна быть как минимум в полмиллиона раз меньше массы электрона, являющегося мельчайшей из известных частиц. Получается, что максимальная масса нейтрино должна быть как минимум в миллиард раз меньше массы протона и нейтрона. Согласно же измерениям колебаний CMBR, проведенным при помощи спутника «Планк», масса нейтрино должна быть еще меньше.

Так или иначе, все измерения в один голос твердят, что масса нейтрино, даже в самых оптимистичных сценариях, должна быть невообразимо мала. Вспомним теперь, что на каждый барион приходится около миллиарда фотонов. А поскольку количество нейтрино численно превосходит количество барионов примерно на столько же (похоже, что на чуть меньше, чем столько же), мы можем сказать, что общая масса нейтрино должна бы составлять некую долю от массы барионов, при этом размер доли зависит от точной массы нейтрино. Сейчас, в 2020-х, довольно трудно быть хоть в чем-то уверенным, и все же нейтрино вряд ли могут составлять значительный процент от общего объема темной материи.

Но в физике всегда есть какое-нибудь «но». В данном случае это возможность существования четвертой разновидности нейтрино, не мутирующей в одну из трех других разновидностей и обладающей бо́льшей массой. Такое нейтрино принято называть стерильным. Но поскольку существование стерильных нейтрино пока не доказано, давайте отпустим их с миром.

* * *

Главным кандидатом на роль темной материи в течение нескольких десятилетий оставались не гало-объекты, а слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP). Как и в случае нейтрино, они не взаимодействуют посредством электромагнетизма. Другими словами, они не испускают и не поглощают свет, а значит, имеют шансы оказаться темной материей. Предположительно они обладают большой массой, составляющей приблизительно от десяти до тысячи масс нейтрона или протона, благодаря чему могут взаимодействовать с обычной материей через гравитацию или прямые столкновения.

Единственная проблема, мешающая назвать WIMP темной материей, состоит в том, что на данный момент их существование остается гипотетическим. Поиск слабо взаимодействующих массивных частиц продолжается уже более двадцати лет. Как правило, детектор WIMP состоит из охлажденного в криогенной камере баллона с аргоном или ксеноном внутри. По идее, WIMP должен столкнуться с атомом ксенона и вызвать минутную вспышку света, которая будет зафиксирована сенсорами вокруг баллона. С таким подходом связаны две сложности. Во-первых, WIMP не единственная частица, которая может столкнуться с детектором – с тем же успехом это может быть космическое излучение или частицы распада, оставшиеся от радиоактивных элементов. Чтобы исключить возможность «ложных срабатываний», детекторы WIMP всегда размещают глубоко под землей (как правило, на старых рудниках), таким образом ограждая их от присутствия нежелательного фона. Вторая сложность: никто на самом деле не знает, что именно ищут эти детекторы, из-за чего становится трудно понять, как правильно организовать эксперимент.

До сих пор охота за WIMP не увенчалась успехом. Тем не менее в 2020 году команда ученых, отвечающая за работу детектора XENON1T в Италии, поделилась шокирующей новостью: им удалось засечь аксион.