Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную

Физики приводят различные примеры. Безумные гипотетические частицы им хорошо знакомы. Классический случай — нейтрино, вывод о существовании которого был сделан на основании применения закона сохранения энергии к определенным типам взаимодействия частиц. Нейтрино выглядело очень странно по сравнению с известными на тот момент частицами: не имело электрического заряда, почти не имело массы, могло почти беспрепятственно пройти Землю насквозь. Все это звучало нелепо, но эксперименты в конце концов выявили нейтрино. Сегодня делаются первые шаги в направлении нейтринной астрономии: ученые пытаются использовать эти частицы для зондирования далеких областей Вселенной.

В то же время множество гипотетических частиц оказалось плодом разыгравшегося воображения теоретиков.

Некоторое время считалось, что мы, возможно, просто не замечаем большое количество совершенно обычного «холодного темного вещества» — его собирательное имя было «массивные компактные объекты гало» (MACHO). Этот термин описывает любые тела, которые состоят из обычного вещества, почти не излучают и могли бы существовать в галактических гало, — это коричневые карлики, тусклые красные и белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры… даже планеты. Когда загадка кривых вращения была выявлена впервые, именно такое вещество было очевидным кандидатом на роль скрытой массы. Однако массивных компактных объектов гало, судя по всему, не хватит, чтобы объяснить громадное количество ненаблюдаемого вещества, которое, по мнению космологов, обязательно должно где-то там присутствовать.

Необходим совершенно новый тип частиц. Это должно быть нечто, о чем теоретики уже думают или могут начать думать, и по определению это должно быть нечто, о существовании чего мы пока не знаем. Так что нам ничего не остается, как только с головой погрузиться в рассуждения.

Один из возможных вариантов — ряд гипотетических частиц, известных как слабо взаимодействующие массивные частицы, или вимп-частицы (WIMP). Предположение состоит в том, что эти частицы появились из плотной перегретой плазмы ранней Вселенной и взаимодействуют с обычным веществом только через слабое ядерное взаимодействие. Такая частица подходит под наши требования, если обладает энергией около 100 ГэВ. Теория суперсимметрии — один из ведущих кандидатов на роль объединителя теории относительности и квантовой механики, предсказывает новую частицу именно с такими параметрами. Это совпадение известно как вимп-чудо. Когда начались наблюдения на Большом адронном коллайдере, теоретики надеялись, что он сможет увидеть целую кучу суперсимметричных партнеров известных частиц.

Как бы не так.

Большой адронный коллайдер исследовал широкий диапазон энергий, включая и 100 ГэВ, и не увидел абсолютно ничего, что не укладывалось бы в Стандартную модель элементарных частиц.

Несколько других экспериментов по поиску вимп-частиц тоже не принесли никаких результатов. Никаких следов их не было обнаружено в излучении близлежащих галактик, и в лабораторных экспериментах, нацеленных на обнаружение остатков от их столкновений с ядрами, они тоже блистательно отсутствуют. Итальянский детектор DAMA/LIBRA с завидной регулярностью видит нечто похожее на сигнал вимп-частиц, которые при попадании в кристалл иодида натрия могут давать вспышку света. Эти сигналы возникают регулярно, как по расписанию, каждый июнь[97], что позволяет предположить, что в какой-то конкретной точке своей орбиты Земля проходит через пучок вимп-частиц. Проблема в том, что другие эксперименты тоже должны регистрировать эти частицы, а этого не происходит. DAMA что-то видит, но это, вероятно, не вимп-частицы.

Может ли оказаться, что темное вещество представляет собой значительно более тяжелые частицы, этакие вимпзиллы (WIMPZILLA)? Может. Данные радиотелескопа BICEP2 убедительно свидетельствуют, что ранняя Вселенная обладала достаточной энергией, чтобы породить неуловимый инфлатон, а он затем мог распасться на вимпзиллы. Все очень хорошо, но эти монстры настолько энергичны, что мы не можем их получить искусственно, а сквозь обычное вещество они проходят так, как будто его вообще нет; в результате мы никак не можем их увидеть. Но, может быть, мы сумеем увидеть то, что они порождают при ударе обо что-нибудь: таким поиском занимается эксперимент IceCube возле Северного полюса. Из 137 нейтрино высоких энергий, обнаруженных им в середине 2015 года, три могли бы быть порождением вимпзилл.