Ученые из разных стран разгоняют частицы в коллайдерах и проводят исследования в подземных лабораториях, чтобы найти аксионы или «вимпы». Это не имена супергероев, а названия гипотетических частиц, из которых может состоять темная материя. Что это такое, зачем ее изучать и как «увидеть» то, что никто не видел, разбираемся с ведущим научным сотрудником физического факультета ИТМО Дмитрием Глазовым.

Источник: sakkmesterke / photogenica.ru

Что такое темная материя?

Это гипотетическая форма материи, которая находится в космосе. Зарегистрировать ее пока не удалось никому, о существовании темной материи свидетельствуют только косвенные экспериментальные данные.

Темной ее называют вовсе не из-за цвета, а как раз потому, что изучить ее полностью пока не удалось. На самом деле она прозрачна, так как не взаимодействует с электромагнитным излучением и не испускает его. Объясним на примере. Посмотрите на обычную кружку. Она состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц — протонов и электронов. Благодаря электромагнитным свойствам частицы притягиваются друг к другу и удерживаются вместе. В итоге кружка не разваливается на наших глазах, а когда на нее падает свет, ее видно. Темная материя устроена иначе. У нее нет электромагнитных свойств, которые объединяют материю в одном месте, поэтому ученые предполагают, что она распределяется по всей Вселенной, не взаимодействует со светом и поэтому остается невидимой.

Зато темная материя может влиять на разные космические явления вроде звезд и галактик с помощью гравитации. Например, она увеличивает скорость вращения звезд на периферии галактик. В результате они двигаются с той же скоростью, что и звезды в центре галактики.

Если темную материю не видно, как о ней узнали?

В 1930-х годах американский астрофизик Фриц Цвикки наблюдал за вращениями галактиками в форме спирали. Согласно законам механики, звезды, расположенные по краям галактики, должны двигаться медленнее звезд в центре галактики, иначе они разлетелись бы в стороны. Но Цвикки обнаружил, что все звезды спиральных галактик движутся примерно одинаково, а звезды на периферии движутся так, как будто галактику удерживает какое-то невидимое вещество с гораздо большей массой. Эта загадочная субстанция, которую можно обнаружить только благодаря гравитационному взаимодействию с другими объектами, получила название «темная материя». В 1970-х годах американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд обнаружили ее и в других спиральных галактиках, в частности в Млечном Пути. Наблюдаемых проявлений темной материи становится все больше, но ее природа до сих пор остается загадкой.

А зачем вообще ее изучать?

Изучение темной материи поможет понять, как устроена Вселенная. В частности, физики рассчитывают, что такие исследования позволят построить «теорию всего». Это гипотетическая концепция, которая должна объединить все известные взаимодействия, объяснить физические явления разных уровней — от элементарных частиц до галактик и темной материи и предсказать новые.

Сказать конкретнее, на что может повлиять изучение темной материи, пока сложно. Но в истории уже случались похожие открытия, которые изменили не только науку, но и нашу жизнь. Например, можно вспомнить о радиоактивности. Когда в 1896 году французский физик Анри Беккерель обнаружил, что в природе существует естественная радиоактивность, никто не догадывался, как можно обратить это явление на пользу человечеству. Тем не менее ученые продолжили исследования, и в 1934 году Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри открыли явление искусственной радиоактивности, превратив в результате ядерной реакции изотоп алюминия-27 в радиоактивный изотоп фосфора-30.

Сегодня искусственная радиоактивность используется в разных сферах жизни — например, атомной энергетике, рентгенодиагностике, лучевой терапии рака в медицине, радиоизотопном датировании объектов и событий в геологии, палеонтологии и археологии и даже для определения подлинности произведений искусства. Возможно, такая же судьба ожидает и исследования темной материи.

Как сейчас изучают темную материю?

Составляют карты распределения ее массы. Помимо вращения галактик, в этом астрофизикам помогает гравитационное линзирование. Представьте, что вы наблюдаете за далекой звездой в телескоп и видите вокруг нее светящийся ореол или раздвоение. Это происходит, потому что свет далекой звезды поступает не напрямую в телескоп, а по пути взаимодействует с неким невидимым объектом и искривляется. В результате свет звезды обходит объект по дуге с двух сторон. Это напоминает принцип работы линз, например, в обычных очках, только в нашем случае эту роль играет масса объекта — в основном темная материя. Зная количество и массу видимых объектов вроде галактик и звезд, расстояние до объекта-линзы и наблюдаемой звезды, а также посчитав степень отклонения изображения, ученые могут вычислить распределение массы темной материи.

По данным исследований, темная материя составляет примерно 80% Вселенной, тогда как видимая материя вроде планет и галактик — только 20%. Значения не окончательные ― наблюдения за звездами и галактиками проводятся постоянно, поэтому цифры постепенно уточняются. Так, например, недавно по данным телескопа Gaia было установлено, что масса темной материи в Млечном Пути вдвое меньше, чем считалось ранее. Причем ученые отслеживают не только каждый космический объект по отдельности, но и формируют общую статистику, которую можно экстраполировать на всю Вселенную.

Пытаются определить, из каких частиц состоит материя. Существуют разные модели, которые могут объяснить, из чего и как устроена темная материя. Вот две наиболее популярные версии.

• WIMP (Weakly Interacting Massive Particle, или слабо взаимодействующая массивная частица) — это тяжелые частицы, которые взаимодействуют друг с другом только через гравитацию. Понятие предложил американский космолог Майкл Тернер в 1986 году.
• Аксионы — легкие частицы, существование которых в 1970-е годы предсказали нобелевские лауреаты Фрэнк Вильчек и Стивен Вайнберг. Аксионы слабо взаимодействуют с обычным веществом и могут превращаться в фотоны в сильном магнитном поле.

Однако пока ни одна из этих гипотетических частиц не была обнаружена в лабораториях или астрофизических наблюдениях.

Чтобы поймать частицы темной материи, ученые со всего мира проводят эксперименты, используя разные технологии:

• Пытаются уловить частицы с помощью чувствительных детекторов, которые расположены в подземных лабораториях. По задумке, толща земли должна остановить все частицы, поступающие из космоса, кроме частиц темной материи. Проникнув в подземную лабораторию, частицы темной материи попадают в специальный цилиндр, в котором хранится благородный газ (ксенон или аргон). В нем частица взаимодействует с газом, ионизирует его, а сама распадается на видимые частицы — фотоны. События, происходящие в цилиндре, регистрирует детектор. По характеристикам реакции он может определить, была ли попавшая частица связана с темной материей.
• Используют коллайдеры. Это огромные устройства, которые ускоряют до околосветовой скорости пучки заряженных частиц — электроны, протоны и ионы и заставляют их сталкиваться друг с другом. Ученые предполагают, что в результате столкновения могут родиться еще неизвестные науке частицы, в частности связанные с темной материей. В 2012 году по итогам экспериментов на Большом адронном коллайдере ученые ЦЕРН обнаружили бозон Хиггса — неделимую частицу, которая отвечает за механизм появления масс у некоторых других элементарных частиц. Бозон Хиггса стал последним недостающим элементом в стандартной модели — теории, которая описывает частицы микромира.
• Проводят прецизионные эксперименты с частицами в электромагнитных ловушках. В таких ловушках можно удерживать и контролировать отдельные электроны, атомы и молекулы в течение длительного времени. Это позволяет с точностью на уровне одной триллионной измерить частоты колебаний атома, из которых можно определить его свойства, например, магнитный момент. А современная квантовая теория позволяет вычислить этот магнитный момент примерно с такой же высокой точностью. Если темная материя каким-то образом взаимодействует с обычной материей, пусть даже очень слабо, она должна вызвать отклонение магнитного момента от предсказанного значения. Сравнение теории и эксперимента дает шанс обнаружить это отклонение и таким образом увидеть проявление темной материи.

А какими исследованиями в этой области занимаются в ИТМО?

В ИТМО есть несколько научных групп, которые занимаются исследованием частиц темной материи. Среди них ― команда доцента физического факультета, руководителя фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» Максима Горлача. Ученые принимают участие в международном консорциуме по поиску космических аксионов. А вместе с нобелевским лауреатом Фрэнком Вильчеком недавно описали метаматериал, который может стать платформой для тестирования свойств аксионов. Это искусственно созданные материалы, чьи электромагнитные свойства определяются химическим составом и структурой. В метаматериале квазичастицы проявляют те же свойства, что и гипотетические аксионы.

А научная группа профессора физического факультета ИТМО Андрея Волотки с помощью высокоточного вычисления диаграмм квантовой электродинамики  предсказывает магнитный момент атомных систем. Это величина, которая характеризует магнитные свойства вещества, другими словами, его способность создавать и воспринимать магнитное поле. Измерение этого параметра важно как для электрона, так и для различных атомов. Физики-теоретики постоянно высчитывают более точное значение с поправками определенного порядка, а физики-экспериментаторы проверяют расчеты на высокоточных экспериментах. Например, для свободного электрона сейчас получены поправки пятого порядка.

Расчёты для атомов намного сложнее, но позволяют получить больше информации при сравнении с экспериментом. Чем точнее будут измерения и вычисления, тем больше шанс заметить отклонение, которое может свидетельствовать о существовании новой частицы, в частности связанной с темной материей.

Алёна Мамаева

Журналист