Большая надежда состоит в том, что помимо косвенных, астрофизических доказательств, которые у нас есть сегодня, мы когда-нибудь обнаружим это напрямую. Но что, если мы не можем?
Ключевые выводы
- С тех пор, как стала очевидной потребность в каком-то источнике гравитации, помимо известных нам обычных частиц материи, темная материя стала основным объяснением наших наблюдений.
- Хотя косвенные астрофизические доказательства, подтверждающие его существование, неопровержимы, все попытки прямого обнаружения оказались тщетными.
- Это не доказательство против существования темной материи, но может свидетельствовать о том, что «кошмарный сценарий» темной материи, которая взаимодействует только гравитационно, может быть правдой.
Во Вселенной есть огромная загадка, которая может оставаться загадкой еще долгое время: темная материя. На протяжении поколений было признано, что известный закон гравитации, Общая теория относительности Эйнштейна, в сочетании с материей и излучением, которые, как известно, существуют во Вселенной, включая все частицы и античастицы, описанные Стандартной моделью физики, не добавляют до описания того, что мы видим. Вместо этого в различных космических масштабах, от внутренностей отдельных галактик до групп и скоплений галактик и вплоть до самых больших нитевидных структур, требуется дополнительный источник гравитации.
Возможно, у нас неверный закон всемирного тяготения, но если проблема в этом, то он ошибочен чрезвычайно сложным образом, который также, кажется, требует дополнительного источника материи (или чего-то, что ведет себя эквивалентно). Вместо этого наиболее распространенной и успешной гипотезой является гипотеза темной материи: существует дополнительная форма материи, и мы чувствуем ее гравитацию, но еще не обнаружили ее экспериментально. Эта надежда на прямое экспериментальное подтверждение возможна только в том случае, если темная материя взаимодействует либо с самой собой, либо с нормальной материей таким образом, что оставляет заметный след. Если единственными взаимодействиями темной материи являются гравитационные, мы, возможно, никогда не обнаружим ее. К сожалению, этот «кошмарный сценарий» может быть именно тем, что происходит на самом деле.
Рентгеновские (розовые) и общие материальные (синие) карты различных сталкивающихся галактических скоплений показывают четкое разделение между обычной материей и гравитационными эффектами, что является одним из самых убедительных доказательств существования темной материи. Рентгеновское излучение бывает двух видов: мягкое (с более низкой энергией) и жесткое (с более высокой энергией), где столкновения галактик могут создавать температуры, превышающие несколько сотен тысяч градусов. Между тем, тот факт, что гравитационные эффекты (выделены синим цветом) смещены от места нахождения массы нормальной материи (розовый цвет), показывает, что темная материя должна присутствовать.
Есть ряд кусочков головоломки, которые, если собрать их вместе, убедительно подтверждают гипотезу о темной материи. Во-первых, мы очень точно знаем общее количество нормальной материи во Вселенной, так как соотношение легких элементов, существовавших до образования каких-либо звезд, включая водород, дейтерий, гелий-3, гелий-4 и литий, чрезвычайно велико. чувствителен к отношению нормальной материи к общему количеству фотонов.
Мы измерили количество фотонов, оставшихся после Большого взрыва: это космическое микроволновое излучение. Мы также измерили распространенность этих элементов и уверены, что только 4,9% всей энергии Вселенной находится в форме обычной материи.
Между тем, когда мы смотрим на:
- акустические пики в несовершенствах космического микроволнового фона,
- то, как галактики группируются и соотносятся в пространстве и времени,
- скорость отдельных галактик в группах и скоплениях галактик,
- эффект гравитационного линзирования массивных космических объектов,
и многое другое, мы обнаруживаем, что для объяснения этих эффектов должно присутствовать дополнительное количество массы, которое в сумме примерно в пять раз превышает общее количество обычной материи.
Масса скопления галактик может быть реконструирована на основе доступных данных гравитационного линзирования. Большая часть массы находится не внутри отдельных галактик, показанных здесь пиками, а в межгалактической среде внутри скопления, где, по-видимому, находится темная материя. Более детальное моделирование и наблюдения также могут выявить субструктуру темной материи, причем данные полностью согласуются с предсказаниями холодной темной материи.
Предполагая, что мы не обманывали себя по поводу неопровержимых астрофизических свидетельств существования темной материи - и что для всего, что мы видим, нет какого-то модифицированного гравитационного объяснения - имеет смысл не просто смотреть на косвенное свидетельство существования темной материи, но попытаться обнаружить ее напрямую. Потому что мы знаем, потому что доказательства говорят нам об этом, что темная материя:
- должны слипаться и группироваться неравномерно,
- , должно быть, двигались очень медленно по сравнению со скоростью света, даже в ранние времена,
- и должен притягиваться, влияя на искривление пространства-времени в зависимости от его присутствия и изобилия.
Он должен вести себя либо как массивная частица, либо как массивная жидкость, тяготея в любом направлении.
Остается предположение, что темная материя квантована и дискретна, т. е. что темная материя ведет себя как частица. Вместо этого она может быть квантованной и непрерывной, что согласуется с объяснением жидкости, но будь то жидкость или частица, есть три возможности поведения темной материи.
- Темная материя взаимодействует сама с собой и/или с нормальной материей посредством одной или нескольких известных сил, помимо гравитации.
- Темная материя взаимодействует сама с собой и/или с обычной материей за счет дополнительной, до сих пор не открытой силы, помимо гравитации.
- Темная материя взаимодействует сама с собой и с обычной материей только через гравитационную силу и никак иначе.
Вот и все; это все возможности.
Работа трех фундаментальных констант связи (электромагнитной, слабой и сильной) с энергией в Стандартной модели (слева) и с новым набором суперсимметричных частиц (справа). Тот факт, что три линии почти совпадают, предполагает, что они могут встретиться, если будут обнаружены новые частицы или взаимодействия за пределами Стандартной модели, но ход этих констант полностью соответствует ожиданиям только Стандартной модели. Важно отметить, что сечения меняются в зависимости от энергии, а энергия ранней Вселенной была очень высока, чего не наблюдалось со времен горячего Большого взрыва..
Одна из простых возможностей заключается в том, что темная материя в какой-то момент в ранней Вселенной была более сильно связана с нормальной материей (а возможно, и с самой собой), чем сегодня. Подобных примеров в природе предостаточно, даже в рамках старой доброй Стандартной модели. Константа электромагнитной связи, например, заметно увеличивается в силе связи при более высоких энергиях; это всего лишь 1/137 в нормальных условиях, но возрастает до значения, которое больше похоже на 1/128 - примерно на 10% больше - на высокоэнергетических коллайдерах, таких как Большой адронный коллайдер.
Но еще более серьезным примером является нейтрино, которое взаимодействует только посредством слабого взаимодействия. Нейтрино с самой высокой энергией более чем на 20 порядков более энергичны, чем нейтрино с самой низкой энергией, которые представляют собой нейтрино, оставшиеся после горячего Большого взрыва. Но поперечное сечение этих нейтрино, которое напрямую связано с вашей вероятностью взаимодействия нейтрино с другим квантом энергии, варьируется почти на 30 порядков в этом диапазоне энергий.
Если вам интересно, как мы могли создать такое большое количество темной материи в ранней Вселенной и почему нам так трудно обнаружить ее сегодня, вам не нужно ничего искать, кроме нейтрино. пример. Если бы мы создали нейтрино только во время Большого Взрыва (и нигде больше), нам еще не пришлось бы их напрямую обнаруживать.
Нейтрино бывают самых разных энергий, и было обнаружено (и рассчитано), что они имеют самые разные сечения. Нейтрино были обнаружены в огромном количестве источников, но никогда не оставались после Большого взрыва, поскольку их поперечное сечение слишком мало, чтобы их можно было использовать в экспериментах.
Один из сценариев того, как могли быть созданы частицы темной материи, состоит в том, чтобы предположить, что в какой-то момент очень рано после горячего Большого взрыва поперечное сечение образования пар частица-античастица темной материи было велико. (Это применимо даже в том случае, если темная материя является собственной античастицей, что характерно для многих сценариев темной материи.) По мере расширения и охлаждения Вселенной поперечное сечение уменьшается, и, в конце концов, темная материя перестает аннигилировать или взаимодействовать с чем-либо еще в ней. любым заметным способом.
Когда это происходит, реликтовое изобилие темной материи в то время - каким бы оно ни было - «вмораживается» во Вселенную, и это количество темной материи сохраняется до наших дней. Пока темная материя не распадается во что-то другое (т. е. пока темная материя стабильна), она может свободно притягиваться, слипаться и группироваться по мере расширения Вселенной. Пока темная материя либо:
- не слишком легкий, чтобы он не двигался слишком быстро в начале,
- или родился с ничтожным количеством кинетической энергии, так что даже если он маломассивный, он родился холодным,
он может решить все космические проблемы, которые ему нужны.
Структуры темной материи, которые формируются во Вселенной (слева), и видимые галактические структуры, возникающие в результате (справа), показаны сверху вниз в холодной, теплой и горячей Вселенной из темной материи. Из наблюдений, которые у нас есть, по крайней мере 98%+ темной материи должно быть либо холодным, либо теплым; горячее исключено. Наблюдения за многими различными аспектами Вселенной в различных масштабах косвенно указывают на существование темной материи.
Много десятилетий назад было осознано, что если бы темная материя взаимодействовала посредством сильных или электромагнитных сил, они уже проявились бы в экспериментах. Однако слабое взаимодействие оставалось интригующей возможностью, и оно было особенно интересно по следующей причине.
Основываясь на данных астрофизики, мы можем рассчитать, какой должна быть сегодня плотность темной материи: примерно в пять раз больше, чем общее количество обычной материи во Вселенной. Многие расширения Стандартной модели предсказывают, что возникнет какая-то новая физика, близкая к шкале энергий самых тяжелых частиц Стандартной модели, таких как бозоны W, Z и Хиггса, а также самого тяжелого из них: топ-кварка.
Вы можете вычислить, если хотите, какое поперечное сечение было бы у такой слабо взаимодействующей частицы, как, например, у самой легкой суперсимметричной частицы, если бы масса была сравнима с электрослабым масштабом. Поперечное сечение, как вы помните, определяет как продуктивность, так и эффективность уничтожения в более ранние времена. И получаемое поперечное сечение примерно 3 × 10-26см3/ с, это именно то, что вы бы предсказали, если бы потребовали, чтобы такая частица взаимодействовала посредством слабого взаимодействия.
Чтобы получить правильное космологическое содержание темной материи (ось Y), вам необходимо, чтобы темная материя имела правильные сечения взаимодействия с нормальной материей (слева) и самоаннигиляцию справа свойства (справа). Эксперименты прямого обнаружения теперь исключают эти значения, необходимые Планку (зеленый), не в пользу темной материи WIMP, взаимодействующей со слабым взаимодействием.
Этот сценарий стал известен как сценарий «чуда WIMP», потому что кажется чудесным совпадением, что ввод этих параметров привел бы к тому, что ожидаемое сечение, основанное на слабом взаимодействии, просто появилось. В течение многих лет проводилась серия экспериментов по прямому обнаружению в надежде, что чудо-сценарий WIMP окажется реальным. По состоянию на конец 2022 года нет никаких доказательств того, что это так, а ограничения поперечного сечения из таких экспериментов, как XENON, исключали стандартный сценарий чуда WIMP практически в каждом разумном воплощении.
Но частица темной материи, которая взаимодействует посредством слабого взаимодействия (или, возможно, более полно, электрослабого взаимодействия), - не единственная игра в городе. На самом деле, термин WIMP - заменитель Weakly Interacting Massive Particle - может иметь в названии слово «weak», но не обязательно относятся к слабому взаимодействию. Вместо этого это означает лишь то, что взаимодействия, которые будут проявлять частицы темной материи, должны быть относительно слабее определенного порога. В то время как «слабое взаимодействие» предлагает одну возможность, новая, еще более слабая сила также возможна, как и настоящий кошмарный сценарий: эта темная материя взаимодействует только гравитационно.
Частицы, которые взаимодействуют только гравитационно, все еще могут образовываться с помощью различных механизмов в очень ранней Вселенной, например, в конце космической инфляции. В то время как содержание материи (красный) и излучение (зеленый) известно на ранней стадии, содержание такой гравитационной частицы (пунктирная линия) зависит от параметров, которые еще не были измерены. Везде, кроме желтой области, темная материя, созданная таким образом, гарантированно не термализируется вместе с остальной частью ранней Вселенной.
В конце 1990-х Рокки Колб, Дэн Чанг и Тони Риотто разработали увлекательный сценарий: возможно, то, что мы воспринимаем как темную материю, не было тепловым реликтом, как это было бы в суперсимметричном или другом Чудо-совместимые сценарии WIMP. Наоборот, вполне возможно, что темная материя изначально была создана в неравновесном состоянии с самого момента ее появления. Примечательно, что если масса массивной частицы достаточно высока, и создано лишь несколько частиц (но достаточное их количество), она может составлять полностью 100% необходимой темной материи.
Поскольку инфляция подходит к концу и приводит к горячему Большому взрыву, вполне возможно, что этот переход сам по себе производит эти массивные неравновесные частицы. Это может произойти, даже если:
- частица темной материи не взаимодействует с инфлатоном или инфляционным полем,
- он не соединяется сам с собой или с какой-либо из частиц Стандартной модели,
- и его взаимодействие происходит только через гравитационную силу.
Подобно тому, как гравитационные волны и несовершенства плотности/температуры возникают во время инфляции и отпечатываются во Вселенной после Большого взрыва, эти сверхмассивные частицы, названные авторами вимпзилласами, показывают, что даже частица, которая только взаимодействует гравитационно, теоретически может составлять всю темную материю.
Способ производства частиц-кандидатов темной материи нетепловым путем, даже если они взаимодействуют только гравитационно, приводит к предсказанным массам с энергией от триллиона до 10 квадриллионов ГэВ, в отличие от 100-1, 000 ГэВ обычно считаются «стандартными вимпами». Именно из-за сверхтяжелого характера их назвали WIMPzillas.
Во многом это настоящий кошмар для физиков! Всю нашу карьеру мы исходили из предположения, что мы можем узнать все, что нам нужно, чтобы узнать о Вселенной, просто исследуя Вселенную, в которой мы живем, и теперь у нас есть пример того, как вещи могли возникнуть идентично тому, как мы воспринимаем их, без средств их обнаружения или создания, которые не влекут за собой окончательную катастрофу: восстановление раннего инфляционного состояния Вселенной, возможно, «выбрасывание» из существования всего нашего космоса, чтобы создать больше частиц WIMPzilla.
Если поперечное сечение между темной материей и нормальной материей фактически равно нулю, это означает, что независимо от того, насколько энергичны частицы или сколько частиц сталкивается друг с другом, они просто не будут рассеиваться и обмениваться импульсом и энергии, ни один из экспериментов по прямому обнаружению не сработает. Помните, что у них у всех есть одна общая черта: все они сделаны из обычной материи, и им требуется какая-то отдача или другое взаимодействие между частицами для создания обнаруживаемого сигнала. Если сечение темной материи и нормальной материи равно нулю, мы никогда не сможем напрямую обнаружить темную материю.
Этот четырехпанельный график показывает ограничения на солнечные аксионы, на магнитный момент нейтрино и на два разных «вкуса» кандидата в темную материю, все они ограничены последними результатами XENONnT. Это лучшие подобные ограничения в истории физики, и они замечательно демонстрируют, насколько хорошо сотрудничество XENON добилось того, что они делают.
И тем не менее, темная материя все еще может быть ответом на загадку того, почему Вселенная тяготеет таким причудливым образом, необъяснимым с точки зрения обычной материи и общей теории относительности.
Хотя физики, без сомнения, будут спорить о наилучшем подходе, тот, который был выбран в этой области, продолжает учить нас все больше и больше о природе реальности и содержании нашей Вселенной. Мы создаем и совершенствуем эксперименты по прямому обнаружению, которые являются общими, ища любой тип взаимодействия, который может существовать. Мы совершенствуем наши методы, чтобы становиться все более и более чувствительными к слабым сигналам, учась лучше учитывать фон «обычных» частиц, которые не могут быть экранированы на 100%. И мы используем разные подходы. Даже если мы никогда не найдем темную материю, изучение того, как на самом деле ведет себя наша Вселенная, никогда не будет плохой инвестицией.
Но с теоретической точки зрения мы абсолютно не можем игнорировать возможность кошмарного сценария. Мы вынуждены, исходя из косвенных астрофизических данных и нулевого качества результатов прямых усилий по обнаружению, серьезно отнестись к этому. Если темная материя взаимодействует только гравитационно, мы, как умные люди, должны выяснить, как раскрыть самые темные тайны природы. Мы еще не достигли этого, но выявление проблем и возможностей, какими бы оскорбительными они нам ни казались, необходимы для достижения прогресса.