Мій старий принцип розслідування полягає в тому, щоб виключити всі явно неможливі припущення. Тоді те, що залишиться, є істиною, якою б неправдоподібною вона не здавалася », - говорив знаменитий детектив Шерлок Холмс. Саме таким методом вчені шукають темну матерію.

Стандартна модель, що описує фундаментальні взаємодії (електромагнітну, слабку і сильну) відомих нам елементарних частинок (лептонів, кварків і бозонів), - відмінно підтверджена експериментом теорія. Однак вона описує лише близько 5% існуючого речовини, інші ж 95% мають абсолютно невідому природу. Ми знаємо тільки те, що ці 95%, що отримали назву прихованої маси або «темної матерії», беруть участь в гравітаційній взаємодії зі звичайною матерією.

Але не йдемо ми на поводу у самої назви? Може бути, ніякої темної матерії немає, а просто теорія гравітації не працює на таких масштабах? А якщо вона є, в яких частках ховається? І як шукати «то, не знаю що»? Для цього сучасна наука використовує принцип, сформульований Шерлоком Холмсом: «Відкиньте все неможливе, а то, що залишиться, і буде відповіддю, яким би неймовірним він не опинився». Явище прихованої маси може пояснюватися величезною кількістю ймовірних і неймовірних, вписуються в сучасну теорію і суперечать їй гіпотез. Однак судді, що відсівають всі неможливі варіанти, - це спостереження і експеримент.

Частинки-кандидати темної матерії. В даний час багато гіпотез темної матерії (тьмяні масивні об'єкти, модифікована теорія гравітації) відкинуті спостереженнями, і головними кандидатами є слабо взаємодіють частинки.

У 1933 році американський астроном Фріц Цвіккі досліджував скупчення галактик Волосся Вероніки. Цвикки виконав оцінку його маси, підрахувавши приблизну кількість галактик в скупченні і кількість зірок у галактиці, і отримав значення, яке становить приблизно 1013 мас Сонця. Він також вирішив перевірити цю оцінку іншим способом, вимірявши швидкості галактик: чим вище швидкість, тим більше гравітаційна сила, діюча на галактику, і тим більше загальна маса скупчення. Маса, розрахована Цвикки цим методом, виявилася рівною 5х1014 мас Сонця, тобто в 50 разів більше. Подібна розбіжність на той момент не було сприйнято дуже серйозно, оскільки у астрономів було дуже мало інформації про міжзоряного пилу, газі, карликових зірках. Тоді вважалося, що ця додаткова маса може ховатися саме в них.

Гіпотеза 1: міжзоряний пил і газ. У 1970 році Віра Рубін і Кент Форд вивчали залежність швидкості зірок від їх віддаленості від центру галактики Андромеда (так звана крива обертання). Так як основна частина зірок сконцентрована поблизу центру галактики, логічно припустити, що чим далі зірка від центру, тим менше повинна бути гравітаційна сила, діюча на неї, і тим менше повинна бути її швидкість. Однак виявилося, що для зірок на периферії такий закон не виконується і крива виходить на плато.

Вімпи в ксеноні Пошук WIMP заснований на тому, що вони хоча і дуже слабо, але все ж взаємодіють із звичайною речовиною При зіткненні з ядрами робочого тіла в детекторі можуть випромінюватися фотони (сцинтилляция), які можна зареєструвати за допомогою фотопомножувачів. Крім того, вімпи можуть іонізувати атоми робочого тіла, що теж можна виявити. Ці два способи зазвичай комбінують, щоб відсіяти шум - взаємодії з іншими частинками, космічними променями і т. П. І виділити тільки події, що нагадують зіткнення з частинками темної матерії. Як робоче тіло зазвичай використовують рідкий ксенон. Спроба виявити слабо взаємодіють масивні частинки (WIMP) в експерименті LUX за допомогою басейну, заповненого 400 кг рідкого ксенону, не увінчалася успіхом, але зараз йде підготовка нового експерименту DARWIN. У ньому для детектування WIMP буде використано 25 т ксенону.

Це означало, що основна маса, яка впливає на обертання зірок, не просто прихована, але і розподілена аж до периферії або ще далі. Пізніше подібні криві були промальовані для різних галактик з абсолютно тим же результатом. Для багатьох еліптичних галактик ці криві не тільки не спадали, а й зростали. Виходить, що велика частина маси (в середньому понад 90%) міститься над зірках, і ця прихована маса розподілена далеко за областю галактичного диска у вигляді сферичного гало.

Міжзоряний пил і газові хмари тепер уже ніяк не могли пояснити наявність прихованої маси: частинки пилу або молекули газу через взаємодію один з одним, тертя і випромінювання втрачали б енергію та поступово перетікали б з периферії в центр. Тому гіпотезу газопилової природи довелося відкинути.

Гіпотеза 2: слабо випромінюючі астрофізичні об'єкти. Наступна проста і очевидна гіпотеза припускала, що прихована маса може бути укладена в якихось астрофізичних об'єктах (MACHO - MAssive Compact Halo Object), таких як білі, червоні або коричневі карлики, нейтронні зірки, чорні діри або навіть масивні планети типу Юпітера. Через малі розміри і слабкою світності ці об'єкти не видно в телескоп, і, цілком можливо, їх так багато, що вони і забезпечують наявність цієї прихованої маси.

Але якщо вони не видно в телескоп, як же можна їх виявити? Коли слабосветящіхся масивний об'єкт (MACHO) виявляється між земним спостерігачем і яскравим видимим об'єктом, він працює як гравітаційна лінза, і спостережуваний об'єкт стає яскравішим. Це явище називається гравітаційного мікролінзування. Наявність MACHO мало б привести до величезної кількості подій мікролінзування. Однак спостереження з телескопа Hubble показали, що таких подій дуже мало і якщо такі об'єкти існують, то їх маса становить менше 20% від маси галактик, але ніяк не 95%.

Більш того, спостереження космічного реліктового фону дозволяють досить точно оцінити число баріонів (протонів і нейтронів), які могли народитися в ранньому Всесвіті в період нуклеосинтеза. Отримані оцінки дозволяють стверджувати, що видима нами баріонів матерія (зірки, газ, пилові хмари) - це велика частина всієї баріонів матерії в нашому Всесвіті. Тому прихована маса не може складатися з баріонів.

Гіпотеза 3: модифікована гравітація. А що якщо ніякої прихованої маси зовсім немає? Це цілком можливо, якщо, наприклад, теорія гравітації, яку ми застосовуємо, на таких масштабах невірна.

Чим більше гравітаційна сила, діюча на об'єкт (в даному випадку галактику або окрему зірку), тим більше її прискорення (відомий всім з часів школи другий закон Ньютона) і, відповідно, швидкість, так як доцентрове прискорення пропорційно квадрату швидкості. А якщо підкоригувати закон Ньютона? У 1983 році ізраїльським фізиком Мордехаєм Мілгрома була запропонована гіпотеза MOND (MOdified Newtonian Dynamics), в якій закон Ньютона кілька коректувався для випадку, коли прискорення досить малі (10-8 см / с2). Такий підхід добре пояснював криві обертання, отримані Рубін і Фордом, і зростаючі криві обертання для еліптичних галактик. Однак в скупченнях, де прискорення галактик куди більше прискорення одиничних зірок, MOND не вносив жодних поправок для темної матерії, і питання залишалося відкритим.

Крива обертання галактики - це графік залежності орбітальної швидкості зірок і газу в галактиці від відстані до її центру. Спостереження показують, що в міру віддалення від центру графік виходить на плато.

Були й інші спроби модифікувати теорію гравітації. Зараз існує широкий клас таких теорій, званий параметризованим постньютоновскім формалізмом. Кожна окрема теорія описується своїм набором десяти стандартних параметрів, що визначають відхилення від «звичайної» гравітації. Якісь із цих теорій дійсно пояснюють проблему прихованої маси, проте при цьому з'являються інші проблеми - наприклад, масивні фотони або хроматична гравітаційної лінзи (залежно кута відхилення світла від частоти), що не спостерігається. У будь-якому випадку жодна з цих теорій до сих пір не підтверджена спостереженнями.

Таким чином, з численних гіпотез, що не суперечать експерименту, залишається тільки одна можлива, хоча і екзотична: темна матерія - це якісь частинки небаріонної природи. Таких кандидатів в теорії існує дуже багато, проте їх поділяють на дві основні групи - холодна і гаряча темна матерія.

Гіпотеза 4: гаряча темна матерія. Гаряча темна матерія - це легкі частинки, які рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Найбільш очевидний кандидат на цю роль - звичайнісіньке нейтрино. Ці частинки мають дуже малі маси (раніше вважалося, що маса дорівнює нулю), народжуються в надрах зірок і областях зореутворення при різних термоядерних процесах і майже не взаємодіють з баріонним речовиною. Однак при тій кількості нейтрино, яке є у нас у Всесвіті, для пояснення з їх допомогою темної матерії необхідно, щоб їх маса була близько 10 еВ. Але експериментальні дані показують, що маса нейтрино не перевищує часткою одного електронвольт, що в сотні разів менше, так що цей варіант, мабуть, відпадає. Ще один ймовірний кандидат на звання темної матерії - так звані стерильні нейтрино, гіпотетичний масивний четвертий варіант нейтрино, що не приймає участі в слабкій взаємодії. Однак такі частинки в експериментах поки не виявлені, і факт їх існування все ще знаходиться під питанням.

Космологічні спостереження останніх років показують, що гаряча темна матерія (якщо вона існує) може становити не більше 10% від всієї темної матерії. Справа в тому, що різні типи темної матерії припускають різні сценарії формування галактик. У сценарії гарячої темної матерії (top-down, зверху вниз) в результаті еволюції спершу формуються великі області, наповнені речовиною, які потім схлопиваются в окремі дрібні скупчення і в підсумку перетворюються в галактики. У сценарії холодної темної матерії (bottom-up, від низу до верху) спершу формуються дрібні карликові галактики і скупчення, які потім утворюють більші структури. Спостереження і комп'ютерне моделювання показують, що в нашому Всесвіті реалізується саме цей сценарій, що вказує на явне домінування холодної темної матерії.

Чи не помічати перешкод У відомому фільмі «Чародії» описаний рецепт проходження крізь стіну: «Бачити мету, вірити в себе і не помічати перешкод» За подібною схемою планується шукати аксіон - легку незаряджену частку, передбачену в рамках квантової хромодинаміки. Аксион слабо взаємодіє з баріонним речовиною, тому основні надії вчені покладають на його поведінку в дуже сильних магнітних полях. Якщо направити лазерне випромінювання на непрозору стінку, в області якої створити за допомогою надпровідних магнітів дуже потужне магнітне поле (десятки тесла), фотон в цьому полі може перетворитися в аксіон, який пройде крізь цю стінку буквально «не помітивши її», а за нею знову перетвориться в фотон. Зрозуміло, що такі події відбуватимуться рідко, але за допомогою чутливих детекторів їх можна виявити. У 2007 році в німецькій прискорювальної лабораторії DESY почався трирічний експеримент Any Light Particle Search, ALPS-I, а три роки тому був запущений експеримент ALPS-IIа, продовження якого (ALPS-IIc) намічено на найближчі роки. Експеримент ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) і його нинішнє продовження ADMX-HF (High Frequency) в Центрі експериментальної ядерної фізики і астрофізики (CENPA) в Університеті штату Вашингтон також використовують сильне магнітне поле надпровідного магніту, в якому Аксион повинні перетворюватися на фотони.

Гіпотеза 5: холодна темна матерія. Гіпотеза холодної темної матерії на сьогоднішній день вважається найбільш імовірною. Гіпотетичні частинки холодної темної матерії - повільні (нерелятивістському), вони дуже слабо взаємодіють один з одним і зі звичайною матерією і не випромінюють фотонів. Вони підрозділяються на слабо взаємодіють масивні частинки (WIMP - weakly interacting massive particles) і слабо взаємодіють легкі частинки (WISP - weakly interacting slim particles).

WIMP - це в основному частинки з теорії суперсиметрії (суперсиметричні партнери звичайних частинок Стандартної моделі) з масами більше декількох кілоелектронвольт, такі як Фотину (суперпартнери фотона), гравітіно (суперпартнери гіпотетичного Гравітон), і т. Д. Найкращим кандидатом на звання частинки темної матерії з числа WIMP вчені зараз вважають нейтраліно - це квантова «суміш» суперпартнерів Z-бозона, фотона і бозона Хіггса.

Основний кандидат з групи WISP - аксіон, що виникає в теорії сильної взаємодії і має дуже малу масу. Ця дуже легка (мільйонні частки електронвольт) стабільна і електрично нейтральна частинка здатна в дуже сильних магнітних полях перетворюватися в фотон-фотонну пару, що дає натяк на те, як можна спробувати її знайти в експерименті.

Втім, незважаючи на численні спроби, поки що виявити WIMP, Аксион або стерильні нейтрино не вдалося. Однак негативний результат в науці - теж важливий результат, тому що він дозволяє відсіяти ті чи інші параметри частинок, наприклад, обмежити діапазон можливих мас. З року в рік все нові і нові спостереження і експерименти в прискорювачах дають нові, більш суворі обмеження на масу та інші параметри частинок темної матерії. Таким чином, відкинувши всі неможливі варіанти і звузивши коло пошуків, ми стаємо все ближче до розуміння того, з чого ж все-таки полягає 95% матерії в нашому Всесвіті.

Стаття «Етюд в темних тонах» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №3, Лютий 2016 ).