Но мы не должны отказываться от прямого обнаружения. Вот почему.
Темная материя - не только самая распространенная форма материи во Вселенной, но и самая загадочная. В то время как все другие частицы, которые мы знаем об атомах, нейтрино, фотонах, антивеществе и всех других частицах в Стандартной модели, взаимодействуют по крайней мере через одну из известных квантовых сил, темная материя, по-видимому, взаимодействует только посредством гравитации.
По мнению многих, правильнее было бы назвать это невидимой материей, а не темной материей. Он не только не излучает и не поглощает свет, но и не взаимодействует ни с одной из известных, непосредственно обнаруживаемых частиц посредством электромагнитных, сильных или слабых ядерных сил. Наиболее востребованным кандидатом на темную материю является WIMP: Weakly Interacting Massive Particle. Большая надежда была на чудо WIMP, великое предсказание суперсимметрии.
На дворе 2019 год, и эта надежда рухнула. Эксперименты по прямому обнаружению полностью исключили появление вимпов, на которые мы надеялись.
Вселенная, с астрофизической точки зрения, должна состоять не только из обычной материи, о которой мы знаем. Обычная материя в данном случае квалифицируется как любая из известных частиц в Стандартной модели. Сюда входят все, что сделано из кварков, лептонов или известных бозонов, а также такие экзотические объекты, как нейтронные звезды, черные дыры и антиматерия. Вся нормальная материя во Вселенной была количественно определена с помощью различных методов, и в сумме она составляет лишь примерно одну шестую часть того, что должно присутствовать в целом, чтобы объяснить гравитационные взаимодействия, которые мы наблюдаем в космических масштабах.
Большая проблема, конечно, в том, что все наши доказательства темной материи являются косвенными. Мы можем наблюдать его эффекты в астрофизической лаборатории космоса, но мы никогда не обнаруживали его напрямую, в лаборатории здесь, на Земле. Заметьте, это не из-за отсутствия попыток.
Если вы хотите напрямую обнаружить темную материю, это не так просто, как обнаружение известных частиц Стандартной модели. Для всего, что состоит из кварков, лептонов или известных бозонов, мы можем количественно определить, через какие силы и с какой силой они взаимодействуют. Мы можем использовать то, что мы знаем о физике и, в частности, об известных силах и взаимодействиях между известными частицами, чтобы предсказывать такие величины, как сечения, скорости и продукты распада, амплитуды рассеяния и другие свойства, которые мы можем измерить в экспериментальных условиях. физика частиц.
По состоянию на 2019 год мы добились огромного успеха на тех фронтах, которые подтвердили Стандартную модель таким образом, о котором и теоретики, и экспериментаторы могли только мечтать полвека назад. Детекторы на коллайдерах и изолированных подземных объектах проложили путь вперед.
Существует целый спектр частиц - как фундаментальных, так и составных - предсказываемых Стандартной моделью. Их взаимодействия посредством сильных ядерных, электромагнитных и слабых ядерных взаимодействий можно рассчитать с помощью методов, разработанных в квантовой теории поля, что позволяет нам создавать и обнаруживать эти частицы различными способами.
Каждый отдельный кварк и антикварк теперь был произведен непосредственно в ускорителе, причем последний высший кварк, оставшийся в живых, упал в 1995 году.
Каждый лептон и антилептон были обнаружены детекторами, причем тау-нейтрино (и его аналог из антивещества, тау-антинейтрино) завершали лептонный сектор в начале-середине 2000-х годов.
И каждый из бозонов Стандартной модели также был создан и обнаружен, а бозон Хиггса, последний фрагмент головоломки, окончательно появился на БАК в 2012 году.
Мы понимаем, как ведут себя частицы Стандартной модели. У нас есть надежные предсказания того, как они должны взаимодействовать через все фундаментальные силы, и экспериментальное подтверждение этих теорий. У нас также есть экстраординарные ограничения на то, как им разрешено взаимодействовать вне Стандартной модели. Из-за наших ограничений, связанных с ускорителями, космическими лучами, экспериментами по распаду, ядерными реакторами и многим другим, мы смогли исключить многие возможные идеи, которые были выдвинуты теоретически.
Когда дело доходит до того, что может составлять темную материю, все, что у нас есть, - это астрофизические наблюдения и наша теоретическая работа в тандеме, чтобы вести нас. Возможные теории, которые мы придумали, включают огромное количество кандидатов в темную материю, но ни одна из них не получила экспериментальной поддержки.
Наиболее востребованным кандидатом на темную материю является вимп: массивная частица со слабым взаимодействием. В первые дни - то есть еще в 1970-х было осознано, что некоторые теории физики элементарных частиц, которые предсказывали новые частицы за пределами Стандартной модели, могли бы в конечном итоге производить новые типы стабильных нейтральных частиц, если бы существовал какой-то новый тип четности (тип симметрии), что предотвратило их распад.
Теперь сюда входят такие идеи, как суперсимметрия, дополнительные измерения или маленький сценарий Хиггса. Все эти сценарии имеют общую историю:
- Когда Вселенная была горячей и плотной на раннем этапе, все частицы (и античастицы), которые могли быть созданы, были созданы в большом количестве, включая любые дополнительные, выходящие за рамки Стандартной модели.
- Когда Вселенная остыла, эти частицы распались на более легкие и стабильные.
- И если бы самый легкий из них был стабильным (из-за новой симметрии четности) и электрически нейтральным, он сохранялся бы до наших дней.
Если вы оцените, каковы масса и поперечное сечение этих новых частиц, вы можете получить предсказанную плотность для их расчетного содержания сегодня.
Вот откуда возникла идея темной материи WIMP. Эти новые частицы не могли взаимодействовать посредством сильного или электромагнитного взаимодействия; эти взаимодействия имеют слишком большое поперечное сечение и уже проявились бы. Но слабое ядерное взаимодействие возможно. Первоначально буква «W» в слове WIMP обозначала слабое взаимодействие из-за впечатляющего совпадения (появляющегося в суперсимметрии), известного как чудо WIMP.
Если ввести плотность темной материи, которая требуется Вселенной сегодня, можно сделать вывод, сколько частиц темной материи данной массы вам нужно, чтобы ее составить. Масштаб масс, представляющий интерес для суперсимметрии - или любой теории, появляющейся в электрослабом масштабе - , находится в диапазоне от 100 ГэВ до 1 ТэВ, поэтому мы можем вычислить, каким должно быть сечение самоаннигиляции, чтобы получить правильное содержание темной материи.
Это значение (поперечное сечение, умноженное на скорость) оказывается равным примерно 3 × 10^-26 см³/с, что соответствует тому, что можно было бы ожидать, если бы такие частицы взаимодействовали через электрослабое взаимодействие.
Конечно, если какие-то новые частицы взаимодействуют посредством электрослабого взаимодействия, они также будут соединяться с частицами Стандартной модели. Если новая частица соединяется, например, с бозоном W или Z (которые несут слабое взаимодействие), то существует конечная, ненулевая вероятность того, что эти частицы столкнутся с любой частицей, с которой связан бозон W или Z, например кварк внутри протона или нейтрона.
Это означает, что мы можем строить эксперименты с темной материей в поисках ядерной отдачи известных частиц нормальной материи. Отдачи, превышающие те, которые вызваны нормальной материей, были бы доказательством существования темной материи. Конечно, есть фоновые события: нейтроны, нейтрино, радиоактивно распадающиеся ядра в окружающем веществе и т.д. Но если вам известны комбинации энергии и импульса сигнала, который вы ищете, и вы разумно спланируете свой эксперимент, вы сможете количественно определить свой фон и извлечь любой потенциальный сигнал темной материи, который может там быть.
Эти эксперименты продолжаются уже несколько десятилетий, и темной материи обнаружено не было. Самые строгие современные ограничения исходят от LUX (вверху) и XENON 1T (внизу). Эти результаты сообщают нам, что сечение взаимодействия протонов и нейтронов необычайно маленькое и различается как для спин-зависимых, так и для спин-независимых сценариев.
LUX привел нас к ограничениям сечений, зависящих от спина, ниже 1,0-1,6 × 10^−41 см² для протонов и нейтронов и независимых от спина менее 1,0 × 10^−46 см²: достаточно низко чтобы исключить все модели темной материи SUSY, предложенные в 2001 году. Теперь более чувствительное ограничение исходит от XENON: ограничение нейтронов, зависящее от спина, составляет 6 × 10-42 см², а сечения, не зависящие от спина, ниже 4.1 × 10−47 см², дальнейшее затягивание винтов.
Это другое измерение, чем самоуничтожение частиц темной материи, но это измерение говорит нам нечто невероятно ценное. Эти эксперименты исключают модели суперсимметрии или дополнительных измерений, которые дают правильное содержание темной материи посредством слабых взаимодействий. Если существует темная материя вимпов, она должна быть слабее, чем позволяет слабое взаимодействие включать 100% темной материи. Кроме того, БАК не должен его производить.
Теоретики всегда могут подкорректировать свои модели, и они делали это много раз, толкая ожидаемое поперечное сечение вниз и вниз как нулевой результат после того, как нулевой результат накатывает. Это худший вид науки, которым вы можете заниматься, однако: простое смещение ворот без какой-либо физической причины, кроме ваших экспериментальных ограничений, стало более суровым. При этом больше нет никакой мотивации, кроме как предпочесть вывод, который данные исключают.
Но проведение этих экспериментов по прямому обнаружению по-прежнему невероятно ценно. Есть и другие способы производства темной материи, выходящие за рамки самого обычного сценария. Кроме того, эти ограничения не требуют не-WIMPy источника темной материи. Многие другие интересные сценарии не нуждаются в чуде WIMP.
В течение многих десятилетий считалось, что буква «W» обозначает не слабое взаимодействие, а взаимодействие, не более сильное, чем допускается слабым взаимодействием. Если у нас есть новые частицы, выходящие за рамки Стандартной модели, мы также можем иметь новые силы и взаимодействия. Наши эксперименты вроде XENON и LUX - наш единственный способ их исследовать.
Кроме того, кандидаты в темную материю, которые производятся с помощью другого механизма в диапазонах более низких масс, таких как аксионы или стерильные нейтрино, или только за счет гравитационного взаимодействия при более высоких массах, такие как WIMPzillas, очень важны..
Наша охота на темную материю в лаборатории путем прямого обнаружения продолжает накладывать важные ограничения на то, какая физика может присутствовать за пределами Стандартной модели. Тем не менее, для тех, кто привержен чудесам, любые положительные результаты теперь кажутся все более маловероятными. Этот поиск теперь напоминает пьяного, ищущего свои потерянные ключи под фонарным столбом. Он знает, что их там нет, но это единственное место, где сияет свет, позволяющий ему смотреть.
Чудо WIMP может быть мертво и ушло, поскольку частицы, взаимодействующие через слабое взаимодействие в электрослабом масштабе, не одобрялись ни коллайдерами, ни прямым обнаружением. Однако идея темной материи вимпов живет. Мы просто должны помнить, что когда вы слышите WIMP, мы включаем темную материю, которая слабее и слабее, чем позволяют даже слабые взаимодействия. Несомненно, во Вселенной есть что-то новое, ожидающее своего открытия.
Чудо WIMP закончилось. Но мы все же можем получить лучшее чудо из всех: если эти эксперименты приведут к чему-то большему, чем нулевой результат. Единственный способ узнать это посмотреть.