Наши поиски темной материи еще не дали надежного обнаружения. Можем ли мы искать не в том месте?
Пожалуй, нет более фундаментального вопроса, чем «из чего состоит Вселенная?» В том, что мы видим, преобладает обычная материя: вещи, состоящие из частиц, которые мы хорошо знаем, таких как протоны, нейтроны и электроны, а также излучаемые ими фотоны. Но наши измерения крупнейших структур во Вселенной показывают, что это всего лишь 5% того, что там находится. Остальное - темная материя и темная энергия. Хотя темная энергия может быть неотъемлемым свойством самого пространства, мы предполагаем, что из-за ее гравитационных эффектов темная материя сгущается, слипается и состоит из частиц.
Но что такое темная материя? И, кроме того, можем ли мы быть уверены, что он существует? Существует огромное количество детекторов и экспериментов по его поиску, но ни о каком надежном, проверенном прямом обнаружении никогда не сообщалось. Нет неопровержимых доказательств, на которые мы могли бы указать и сказать: «Это было событие, вызванное взаимодействием с темной материей». Подавляющее большинство детекторов ищут темную материю типа вимпов, а небольшой контингент также ищет аксионы. (MACHO или другие источники «нормальной» темной материи были исключены.) Но все это может быть ошибочным. Темная материя может не быть ни одной из тех вещей, которые мы ищем. На самом деле, можно утверждать, что у кандидата с лучшими мотивами для этого вообще нет никаких экспериментов: WIMPzillas!
Есть старая история о пьянице, ищущей свои ключи под фонарным столбом возле бара. Пьяный продолжает искать в одном и том же месте снова и снова, несмотря на то, что не находит там своих ключей, и совершенно очевидно, что ключей там нет. Подходит полицейский и спрашивает пьяного, что он делает, а пьяный говорит: «ищет ключи». Полицейский спрашивает, почему он продолжает искать здесь, когда очевидно, что их здесь нет. «Потому что там свет!» Ясно, что здесь есть урок: доказательства, указывающие на отсутствие темной материи типа вимпов, не имеют никакого отношения к доказательствам для всех других типов.
И тем не менее, полный набор данных в астрономии, астрофизике и космологии указывает на необходимость существования темной материи. Для того, чтобы получить Вселенную, которую мы видим и знаем сегодня, в том числе, чтобы дать вам:
- наблюдаемые флуктуации космического микроволнового фона,
- мелко- и крупномасштабные особенности скопления галактик,
- профили вращения спиральных и эллиптических галактик,
- эффекты гравитационного линзирования скоплений галактик, а также многие другие наблюдения,
вам нужен дополнительный тип материи в дополнение к тому, что предсказывает Стандартная модель: какой-то тип темной материи. Эта темная материя должна быть примерно в пять раз больше, чем все нормальное (Стандартная модель) вещество вместе взятое, она должна быть массивной, она должна слипаться и группироваться вместе, и она должна двигаться медленно по сравнению со скоростью света. Существуют всевозможные косвенные доказательства существования темной материи, но мы никогда не обнаруживали ее напрямую. Чтобы узнать, какова его природа на самом деле, нам нужно сделать именно это.
Мы достаточно хорошо понимаем Стандартную модель физики элементарных частиц, чтобы знать, как ее частицы ведут себя, взаимодействуют и каковы их свойства. Мы можем с абсолютной уверенностью заявить, что, возможно, из всех вещей Стандартной модели можно составить не более 1% (в виде нейтрино) ненормальной темной материи. Чем бы ни было подавляющее большинство темной материи, это должно быть чем-то, что не включено в Стандартную модель или выходит за ее пределы. Это проблема, потому что Стандартная модель настолько успешна; оно буквально описывает все частицы, их взаимодействия и свойства, которые мы когда-либо наблюдали. Вселенной нужна физика, выходящая за рамки Стандартной модели, но наблюдаемые нами частицы не указывают на то, что существует какая-либо физика, выходящая за рамки Стандартной модели, которую мы еще не открыли.
За исключением, то есть, в одном очень важном месте.
Самая большая загадка Стандартной модели - массы нейтрино. Все остальные частицы в Стандартной модели либо полностью лишены массы (например, фотон или глюон), либо обладают значительной массой, находящейся где-то в относительно большом, но четко определенном диапазоне. Самая легкая частица, электрон, имеет массу около 511 000 электрон-вольт, а самая тяжелая, топ-кварк, имеет массу около 175 000 000 000 эВ. Это может показаться большим диапазоном, но коэффициент менее 400 000 для охвата всех частиц - это довольно много.
Долгое время считалось, что нейтрино тоже не имеет массы. Но недавние эксперименты показали, что все три типа - электрон, мю и тау - имеют очень маленькую, но отличную от нуля массу, где-то около миллиэлектронвольтного диапазона или, по крайней мере, в десять миллионов раз больше. легче электрона!
Для частиц, которые были предсказаны как безмассовые, это проблема! Почему они не только обладают массой, но и почему их массы настолько малы? Одна из ведущих идей, впервые выдвинутых рядом ученых в конце 1970-х годов, состоит в том, что массы нейтрино могут работать как качели! Видите ли, все нейтрино, которые мы видим, левовращающие, а это означает, что если вы сориентируетесь в направлении их движения, то увидите, что все они вращаются одинаково. Точно так же все антинейтрино правосторонние.
Но если предположить, что в природе существует очень большая шкала масс, такая как шкала великого объединения, то нейтрино (как левые, так и правые) могли бы иметь «нормальную» массу, как и другие нейтрино. Частицы Стандартной модели, где они как бы балансировались на качелях. Но затем появляется эта тяжелая масса из весов объединения, садится на одну сторону качелей и расщепляет их: левые нейтрино становятся очень легкими, а правые нейтрино становятся чрезвычайно тяжелыми.
Это ведущее объяснение того, как нейтрино колеблются, а также как они приобретают такие крошечные (но ненулевые) массы. Но вместо того, чтобы выдвигать гипотезы о суперсимметрии, дополнительных измерениях, аксионах или каком-то другом экзотическом решении темной материи, вот забавная возможность: сверхтяжелые нейтрино правого вращения на самом деле могут быть темной материей! Вместо того, чтобы находиться в том же диапазоне, что и массы нейтрино (как аксионы) или в том же диапазоне, что и другие частицы Стандартной модели (например, в SUSY или дополнительных измерениях), они могут быть сверхтяжелыми: в миллиарды или даже триллионы раз тяжелее, чем другие частицы Стандартной модели. В большинстве моделей физики элементарных частиц предполагаемый масштаб объединения приходится на ~10¹⁵ ГэВ.
Этот новый класс кандидатов в сверхтяжелую темную материю, который может возникнуть с помощью этого или любого другого механизма, такого как чисто гравитационные взаимодействия, имеет фантастическое название (придуманное Рокки Колбом, Дэниелом Чангом и Тони Риотто).): WIMPzillas!
И все же, спустя 20 лет после того, как они были предложены, нет никаких экспериментов по поиску WIMPzillas. Пьяницы, ищущие свои ключи под фонарями, так и не нашли их: темная материя оказалась чрезвычайно неуловимой. Слабые вимпы, которые они искали, в масштабе около ГэВ или ~ ТэВ, не были созданы ни на БАК, ни в экспериментах по прямому обнаружению. Хотя более масштабные и качественные поиски дадут вам более чувствительный предел исключения для этих диапазонов масс, они не помогут вам найти кандидатов на темную материю за их пределами.
И все же можно утверждать, что это диапазон масс, в котором у нас есть наилучшая мотивация для жизни темной материи: в этих очень больших масштабах. Тогда вопрос в том, что мы собираемся делать в будущем? Будем ли мы продолжать строить уличные фонари более высокой интенсивности, надеясь, наконец, осветить эти долгожданные ключи? Или мы попытаемся осветить затемненный пейзаж, куда мы пока даже не осмеливаемся заглянуть? Не существует особенно хороших, убедительных идей для поиска такой тяжелой темной материи, но это может быть именно та проблема, которую нам нужно решить, чтобы узнать, что на самом деле представляет собой темная материя.