Текст книги "Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса"

Автор книги: Йостейн Кристиансен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 15 страниц)

Но они могут составлять лишь мизерную часть всей темной материи. Должно быть что-то еще, что-то хотя бы отдаленно похожее на нейтрино.

Взгляните на свою руку. За считаные секунды через нее проходят несколько тысяч миллиардов нейтрино. Значительное число. И ведь вы этого даже не замечаете. Большинство нейтрино, с которыми мы пересекаемся на Земле, образовались в ходе ядерных реакций в центре Солнца. Но также существует неисчислимое количество нейтрино, парящих в космосе еще с момента Большого взрыва. После фотонов нейтрино – самые распространенные частицы во Вселенной. У нейтрино нет ни электрического, ни цветового зарядов, и поэтому чихать они хотели на электромагнитное и сильное ядерное взаимодействия. А вот слабое взаимодействие они уважают.

Из-за небольшого радиуса влияния слабого взаимодействия нейтрино сталкиваются с обычной материей крайне редко. И раз уж нейтрино признают только слабое взаимодействие, то смогут столкнуться с атомом, лишь попав в область, составляющую менее одной миллионной части всего атома. Поэтому, когда нейтрино пролетает сквозь вашу ладонь, это похоже на бросание песчинки в сито с километровыми отверстиями. Вероятность того, что песчинка ударится об один из прутиков решетки, становится близка нулю. Вероятность столкновения зависит, помимо прочего, оттого, насколько быстро движутся нейтрино. Это немного похоже на автомобиль: чем больше скорость, тем выше вероятность столкновения. Нейтрино, образовавшиеся во время Большого взрыва и заполнившие Вселенную, в среднем без столкновений проходят сквозь брусок свинца толщиной в световой год.

Призрачные свойства нейтрино впервые заметил физик Вольфганг Паули. При изучении бета-распада Паули понял, что без новой частицы не получится логически связать описание процесса.

Поэтому в 1930 году он постулировал новую частицу – нейтрино. Чтобы просто взять и придумать для решения проблемы новую частицу, нужна, наверное, неплохая интуиция. Поговаривают, что он даже заявил следующее: «Я сделал сегодня что-то ужасное. Я предположил нечто, чего никогда нельзя будет проверить экспериментально, потому что эта частица взаимодействует настолько слабо, что ее никогда не удастся увидеть».

Но тут Паули ошибся. В 1956 году физикам Клайду Коуэну и Фредерику Райнесу удалось впервые обнаружить нейтрино экспериментальным путем. Они устроили хитроумный эксперимент с ядерным реактором. В ядерных реакторах образуется очень много нейтрино высокой энергии, поэтому их детектор просто бомбардировало невероятное количество яростных нейтрино. Подавляющее большинство нейтрино, естественно, прошло через эксперимент незамеченными. Тем не менее оказалось, что в среднем три нейтрино в час сталкиваются с материалом внутри детектора. Такие столкновения привели к небольшой серии реакций, которые в конечном счете привели к гамма-излучению – его и заметили Коуэн и Райнес. С тех пор нейтрино наблюдали в бесчисленных экспериментах.

На сегодняшний день в мире существует не один нейтринный детектор. Из-за такой неуловимости частицы-призрака детекторы часто делают ну очень большими, чтобы не упустить шанс разглядеть столкновение. Именно поэтому многие эксперименты выглядят так оригинально и зрелищно. Один из крутейших проектов, связанных с нейтрино, – это обсерватория АйсКьюб (Ледяной куб, IceCube) на Южном полюсе: ученые пробурили толщу льда и погрузили туда «нити» длиной практически в три километра. Каждая нить к тому же снабжена светочувствительными детекторами. В совокупности этими детекторами напичкан целый кубический километр льда. При правильной скорости столкновение нейтрино со льдом может привести к едва заметной вспышке света. Детекторы в длинных «нитях» улавливают эти вспышки для последующих исследований АйсКьюб. Цель всего вышеописанного – узнать больше о нейтрино и в особенности о различных порождающих их процессах.

А где могут рождаться нейтрино? Мы уже поговорили о Солнце, Большом взрыве и атомных электростанциях. А еще о темной материи – если она, конечно, тоже на это способна. Таким образом, возможно, эксперимент АйсКьюб, в ходе которого в глубинах антарктического льда отслеживаются вспышки света, обнаружит и следы темной материи. И скоро мы поймем, как именно.

Почему сами нейтрино не могут быть темной материей? Тут все просто: их масса слишком мала. По правде говоря, пару десятилетий назад многие думали, что у нейтрино и вовсе нет массы. С того времени в ходе ряда экспериментов было доказано, что сколько-то они все же весят. Конкретные числа нам неизвестны, но точно меньше одной миллионной массы электрона. А это безумно мало, особенно если вспомнить, что электрон – легчайшая частица вещества в Стандартной модели.

А почему маленькая масса – это проблема? Потому что обычно во Вселенной все происходит так: чем быстрее частица, тем она легче. Получается, нейтрино должны быть сверхбыстрыми. Мы помним, что темная материя есть еще и в скоплениях галактик, и в галактиках. Эти скопления и галактики возникли из-за того, что в молодой Вселенной образовались небольшие уплотнения, которые впоследствии разбухли из-за гравитации. Давайте теперь представим, что нейтрино приближается к нашей Галактике со своей суперскоростью. Если бы частица обладала сознанием, то подумала бы что-нибудь вроде: «О, галактика! И какая красивая! Да еще и с такой притягательной гравитацией. Может, мне присоединиться к ней? Но… упс! Похоже, я ее уже пролетела.

Ну что ж, приятно было познакомиться, галактика!» И она просто помчится дальше, как участник марафона мимо промоутера. Ну конечно, в нашей Галактике тоже есть нейтрино, но те невообразимые количества нейтрино, оставшиеся от Большого взрыва, слишком быстры, чтобы прилипать к галактикам.

Да и к тому же мы многое знаем о взаимодействии нейтрино с другими материями и примерно представляем, сколько таких призраков летает по Вселенной. Если суммировать вес всех нейтрино, окажется, что их общая масса в лучшем случае составляет десятую часть всей видимой материи. А наблюдения за Вселенной говорят о гораздо больших количествах темной материи. В целом, кажется, что темная материя должна весить примерно в пять раз больше, чем видимая. Так что нейтрино весят слишком мало, чтобы быть той самой темной материей, которую мы ищем.

А что, если нейтрино были бы, скажем, в десять миллиардов раз массивнее? Тогда бы они были гораздо более медлительными. И такие тяжелые чудовища уж точно нашли бы время заглянуть в галактику. А оказавшись в галактике, они могут кататься туда-сюда, как боулинговые шары на рампе для скейтборда. Да, они не сталкиваются, но и покинуть галактику скорость не позволяет.

Так что во время охоты на частицу темной материи нужно искать что-то похожее на нейтрино, но гораздо, гораздо тяжелее. У таких частиц есть название. Считается, что мы ищем холодную темную материю. И говоря «холодная», мы имеем в виду частицы, которые передвигаются не слишком быстро. В Стандартной модели нет места новым частицам, так что искать нам придется за ее пределами.

И хоть нейтрино и не стали той самой частицей темной материи, из всей ситуации можно извлечь парочку уроков. Во-первых, теперь нет сомнений в существовании невидимых частиц-призраков. Во-вторых, их пример демонстрирует, что этих призраков реально обнаружить. Теперь осталось только придумать изощренные эксперименты, которые будут искать именно частицу темной материи. Все это должно вселить в нас надежду на то, что темную материю реально обнаружить, ведь еще шестьдесят лет назад Коуэну и Райнесу удалось обнаружить невидимые нейтрино.

В настоящее время эксперименты проводятся на Международной космической станции, спутниках на орбите Земли, наземных телескопах и сверхчувствительных детекторах глубоко под землей. Все эти технологии задействованы в поиске темной материи. Какой же из способов наиболее эффективен? Зависит оттого, какая частица или частицы образуют темную материю.

Так чем может быть темная материя?

Вимпы: темные массивные слабаки

Во всех этих названиях частиц легко запутаться. А когда разговор заходит о предполагаемых кандидатах на частицу темной материи, то названий становится еще больше. За утешением можно обратиться к мудрой фразе, которую известный физик Энрико Ферми как-то сказал студенту примерно в середине XX века: «Молодой человек, если бы у меня хватало памяти запомнить названия всех этих частиц, то я стал бы ботаником».

Хоть Ферми и не имел в виду частицы темной материи, но и в нашей ситуации цитата актуальна. Ведь дефицита в гипотетических частицах темной материи не наблюдается: вимпы, SIMPbi (сильно взаимодействующие массивные частицы), аксионы, стерильные нейтрино, нейтралино, гравитино, фотино, криптон, зеркальное вещество, Q-ball, Вимпзилла (WIMPZilla) и так далее⁴*⁵. Но разобраться с особенностями частицы темной материи можно и не изучая в подробностях всех этих диковинных зверей – как ни крути, а Энрико Ферми ведь стал выдающимся физиком, не зная наизусть все типы частиц.

Но одному из подозреваемых допрос мы все же устроим, а если быть точнее, частице вимп. Вимп (WIMP) – это аббревиатура Weakly Intecting Massive Particle, а по-русски она называется слабовзаимодействующей массивной частицей.

(К сожалению, русское наименование звучит гораздо скучнее английского, поэтому мы будем придерживаться вимпов. Английское слово «wimp» можно перевести как «слабак».)

Иначе говоря, эта частица обладает массой и участвует в слабом взаимодействии, но не признает ни электромагнитное, ни сильное взаимодействия.

Подозрительно похоже на нейтрино? Ну да, вимп – это частица, похожая на нейтрино, хотя это нечто новое и отличное. Да к тому же масса вимпа должна намного превышать массу нейтрино.

Самая популярная на сегодняшний день гипотеза гласит, что темная материя состоит из частиц вимп. Популярность этих частиц небеспричинна. У нас даже есть основания полагать, что вимпы существуют в природе, просто пока мы их не обнаружили. А если такие частицы все же существуют, то, скорее всего, образовались они сразу после Большого взрыва и существуют до сих пор. А еще имеются веские причины полагать, что эти вимпы будут достаточно тяжелыми и многочисленными, чтобы из них состояла темная материя. По факту некоторые физики-теоретики считают, что вимпы настолько хорошо подходят на роль частицы темной материи, что даже придумали понятие «чудо– вимп» (WIMP-miracle).

А тем, кто уже закипает от вимп-лихорадки, советую все же остудить свой пыл. Единого теоретического описание вимпов не существует, вимп – это лишь общее описание некоторых свойств частицы (если быть точнее, участие в гравитационном и слабом взаимодействиях). Вимп – общий термин, который охватывает целый набор различных типов предполагаемых гипотетических частиц. Чуть позже мы уточним, о каких именно частицах идет речь. А еще посмотрим, в чем заключается «чудо вимпа» и почему вимп-частиц так много во Вселенной.

Но сначала давайте разберемся с важной особенностью вим– пов: их реально обнаружить экспериментальным путем! Уже по определению понятно, что вимпы подчиняются слабому взаимодействию. Получается, они, как и нейтрино, способны иногда взаимодействовать с другими известными частицами. А раз нейтрино удалось уловить в ходе изощренных экспериментов, то же самое можно проделать и с вимпами. Именно поэтому разнообразные эксперименты по всему миру нацелены на поиск этих частиц. Ученые ждут, пока слабое взаимодействие вынудит вимпы подать сигнал детекторам. Так они смогут выяснить, что же все-таки такое темная материя. А такое открытие точно заслуживает Нобелевской премии.

Искать вимп-частицы довольно непросто, ведь мы не знаем наверняка, что ищем, а кандидатов много. Поэтому задействованы разные эксперименты для поиска различных характеристик. Увенчается ли поиск успехом? Некоторые утверждают, что уже видели вимпы. Давайте посмотрим, как проходит эта глобальная охота на слабодействующие массивные частицы.

Охота на столкновения вимпов

Знаете, бывают такие карусели, похожие на чайные чашки. Вся конструкция напоминает кусочки торта, а люди садятся в так называемые чашки. Эти кабинки-чашки установлены на вращающейся по кругу платформе, и каждая кабина может на радость пассажирам еще и вращаться вокруг собственной оси. Незабываемые ощущения достигаются благодаря одновременному вращению: сначала платформа-основа обеспечивает вращение по большому кругу, а потом подключаются чашечки с вращением по малому.

Ну и конечно, я не просто так вспомнил о каруселях, дело в том, что это прекрасная аналогия астрофизического явления: движение кабинки-чашки очень похоже на движение Земли в Млечном Пути. Во-первых, сам Млечный Путь и все его звезды обращаются вокруг центра, как платформа-основа. Кроме того, Земля обращается вокруг Солнца, прямо как кабинки карусели.

Вернемся к нашим чашкам. Если вы катались на такой карусели, то наверняка обратили внимание на сильные потоки ветра. Иногда оба вращения – по малому и большому кругам – будут однонаправленными. Тогда порывистый ветер точно испортит вам укладку. А в моменты, когда кабинка и карусель вращаются в противоположные стороны, ветер будет гораздо слабее. Каждый раз при вращении кабинки ветер будет усиливаться, когда оба движения направлены в одну сторону, и ослабевать, когда вращения тянут вас в разных направлениях.

То же самое касается Земли. Иногда танец Земли вокруг Солнца совпадает с вращением Солнечной системы в Млечном Пути, а иногда нет. Когда вы кружились в кабинках-чашечках, то, возможно, заметили, как ветер усиливался или ослабевал в зависимости от того, совпадает направление вращений или нет. Когда Земля вращается в Млечном Пути, то тоже можно наблюдать своего рода ветер – ветер из темной материи. Ведь, как вы, возможно, помните, считается, что нашу Галактику окружает огромное облако темной материи. А из-за эффекта карусели Земля пролетает мимо него с различными скоростями в зависимости от времени года. Быстрее всего Земля будет двигаться сквозь гало темной материи в мае-июне и медленнее всего – в ноябре-декабре.

^{Кабинки-чаинки: счастливые посетители ярмарки, которые катаются на карусели, – хорошая аналогия движения Земли по Млечному Пути.}

Поскольку темная материя просто проходит сквозь Землю, не сталкиваясь с ней, поток ветра из частиц темной материи никого с ног пока не сбивал. Но если темная материя состоит из частиц WIMP, которые участвуют в слабом взаимодействии, то они должны хоть иногда сталкиваться с ядрами атомов на Земле. И, как я отмечал ранее, чем выше скорость вимпов, тем больше вероятность столкновения. Если темная материя – это WIMP, то в мае следует ожидать большего количества столкновений, чем в ноябре. Группа исследователей полагает, что именно этот эффект изменения ветра WIMP они наблюдали глубоко под горой в Италии.

Если пару часов ехать в северо-восточном направлении от Рима, то окажешься у горы Гран-Сассо. Там под полутора километрами горной породы скрывается огромная физическая лаборатория. В этой подземной лаборатории проводят различные эксперименты в области физики элементарных частиц. И, конечно, подобные эксперименты проводятся глубоко под землей не просто так. Гора здесь выполняет роль щита и прикрывает лабораторию от космических лучей. Гран-Сассо – идеальное место для размещения самых чувствительных детекторов, которые ищут едва уловимые сигналы от сталкивающихся частиц, например, от ветра WIMP.

DAMA/LIBRA – один из экспериментов лаборатории Гран-Сассо. Снаружи она выглядит как большой бетонный куб размером в несколько метров. За толстым бетоном скрыты массивные свинцовые стены. Внутри находится защищенный от окружающей среды сверхчувствительный детектор частиц.

Детектор сделан из материала, который при столкновении с частицей, например WIMP, провоцирует небольшую вспышку света. Несмотря на наличие нескольких слоев защитной породы, бетона и свинца, здесь по-прежнему существуют различные типы известных частиц земного происхождения, и они тоже способны приводить к вспышкам света. Поэтому, видя вспышку света от детектора, ученые не могут точно сказать, виновата ли в этом темная материя или другие частицы. Но если изучить количество вспышек света в детекторе за несколько лет, то есть шанс все же увидеть следы ветра вимпов в Млечном Пути. Если некоторые из вспышек света вызваны столкновениями частиц темной материи, то в мае столкновений должно быть немного больше, чем в ноябре.

^{35C0 лооэ <4500 5C03}

Вспышки света в эксперименте. По оси ординат мы видим, как количество световых вспышек колеблется вверх и вниз вокруг среднего значения. По оси абсцисс – количество дней. Крестиками показаны измерения для эксперимента. Изогнутая линия показывает, чего ожидается от сигнала темной материи. На рисунке отражены данные за семь лет сбора, и мы ясно видим семь колебаний. Может, это ветер от вимпов?

Именно такой эффект ожидают увидеть исследователи, стоящие за экспериментом DAMA/LIBRA. Проанализировав данные за семь лет, они пришли к выводу, что каждый год в мае вспышек света на несколько процентов больше, чем в ноябре. Неужели они обнаружили следы быстрых потоков ветра с частицами вимп? Под горой в Италии проявился эффект карусели? Получается, они увидели темную материю? Как заявляет сама исследовательская группа – да. Но большинство других ученых настроены недоверчиво.

Нет никаких сомнений в том, что результаты эксперимента DAMA/LIBRA носят сезонный характер. Достаточно взглянуть на график выше. Вот только не факт, что причина этой сезонности – темная материя. Некоторые исследователи обратили внимание и на другие сезонные явления, которые, по их мнению, объяснят результаты эксперимента и без темной материи.

Например, есть версия, что сигнал исходит от мюонов, сталкивающихся с детектором. Мюоны создаются в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки космическими лучами. Сколько таких мюонов падает на Землю, зависит от температуры воздуха, а температура воздуха, как известно, в течение года меняется.

Однако самая большая проблема с DAMA/LIBRA заключается в том, что никакие другие эксперименты не смогли воспроизвести их результаты. Правда, никаких других экспериментов, где проводились бы точно такие же измерения с тем же типом детекторов, что и в DAMA/LIBRA, не осуществлялось. Но если вимпы – это темная материя и если при этом вимп не ведет себя сверхъестественным образом, решив сталкиваться исключительно с детектором в DAMA/LIBRA, тогда другие эксперименты должны подтвердить результаты DAMA/LIBRA. Пока этого не произошло.

Под землей проводится немало экспериментов по поиску столкновений с темной материей, и постоянно запускаются новые, все более точные. Некоторые из самых точных на момент написания книги результатов были получены в ходе эксперимента LUX, который проводится в США в шахте полуторакилометровой глубины. LUX – это аббревиатура от английского Large Underground Xenon experiment (Большой подземный ксеноновый эксперимент). Ксенон относится к так называемым благородным газам, которые не вступают в химические реакции с другими веществами. Во время эксперимента ксенон охладили до температуры около -100 °C, отчего он стал жидким. При столкновении частицы с атомами ксенона образуется как вспышка света, так и электрон. И все это зафиксирует детектор. Пока LUX ничего похожего на частицу темной материи не наблюдал. Если эксперимент DAMA/LIBRA действительно обнаружил темную материю, то LUX тоже должен был что-то зафиксировать. Большинство физиков сегодня считают, что ошибку допустили, скорее, в эксперименте DAMA/LIBRA, а не LUX.

DAMA/LIBRA и LUX – это лишь примеры двух экспериментов, которые занимаются поиском темной материи. Что касается остальных, большинство пришло к выводу, что увидеть темную материю им не удалось, хотя некоторые утверждают, будто все же что-то видели. Как правило, результаты «видевших» темную материю противоречат результатам «не видевших». В общем и целом, поиски темной материи – это хоть и хаотичное, но крайне интересное поле исследования. И расхождение результатов, наверно, даже неизбежно. Вне зависимости от того, где на Земле вы находитесь, везде присутствует естественное излучение от разных источников, а потому зерно от плевел отделить сложно. Детектор зафиксировал столкновение с частицей темной материи или это со свистом пролетел ничем не примечательный нейтрон? Чтобы увидеть редкие столкновения крошечных вимпов, требуется огромная точность, и исследователи постоянно пытаются довести свои эксперименты и исследования до идеала. Иногда это даже заходит слишком далеко.

А еще поиск частицы темной материи – хороший пример того, как исследования выглядят на самом деле. Если исследовательская группа заявляет об обнаружении чего-то, это еще не значит, что открытие внезапно стало общепринятой истиной. Во-первых, открытие должно быть проверено другими исследователями, желательно с привлечением других методов и других возможных источников погрешностей. Настолько далеко в поисках столкновений с темной материей мы еще не зашли.

Ряд новых экспериментов с еще более чувствительными детекторами находится на стадии разработки и строительства, и если темная материя на самом деле состоит из вимпов, то шансы ее обнаружения в ближайшие годы не так уж малы.

Но даже если нам не удастся зафиксировать столкновение вимпа на Земле, существуют и другие способы поиска. Ведь пока одни охотники на вимпы копают под горой, другие смотрят в космос. Чтобы понять, что именно ищут в космосе охотники за темной материей, пора представить новую экзотическую галактику на небе частиц – антивещество.

Антивещество и эквивалентность массы и энергии

Каждой частице в Стандартной модели соответствует своя античастица. Существуют, например, антиэлектроны (известные также под названием позитрон), антикварки и антинейтрино. Стоит только соединить нужные антикварки, как получатся антипротоны и антинейтроны. Из антипротонов и антинейтронов можно сделать антиядра атомов, соорудить антиатомы, антилюдей и так далее. Да в целом для всего, что мы видим вокруг нас, можно сделать антиверсии.

Антивещество – это то же самое, что и обычное вещество или материя, только наоборот. Возьмем, например, позитрон (который можно считать антиэлектроном). Позитрон весит ровно столько же, сколько и электрон (у них одинаковая масса), но отличается знаком электрического заряда. Электрический заряд позитрона настолько же положительный, насколько заряд электрона отрицателен. Есть еще несколько свойств частиц, о которых я не упоминал, но и они будут противоположными. Если сложить позитрон и электрон вместе, у них получится нулевой электрический заряд. И вообще, если совместить частицу с ее античастицей, то их противоположные свойства приведут к тому, что почти все качества, делающие частицу частицей, окажутся на нуле. Вместе они становятся ничем. С одним только исключением: массой. Масса всегда положительна, независимо от того, рассматриваем мы частицы или античастицы. Частица и античастица уничтожают и сводят друг друга на нет. Исчезает все – кроме массы.

А что происходит с массой? Тут в игру вступает самая известная физическая формула, легендарная Е=mc² Эйнштейна. Формула говорит нам, что энергия и масса – это две стороны одной медали. Здесь Е обозначает энергию, т – массу (то есть то, что мы измеряем в килограммах), а с – скорость света в вакууме. Получается, что массу можно в той или иной форме преобразовать в энергию. А еще формула позволяет точно высчитать, сколько энергии соответствует конкретной массе. Или наоборот: если нам дана энергия, то можно узнать и массу.

Скорость света в вакууме – число очень большое. Что уж говорить о скорости света в квадрате. А это значит, что при относительно небольшой массе можно создать огромное количество энергии. Если бы можно было просто преобразовать, например, пятикилограммовый валун в чистую энергию, то эта энергия была бы эквивалентна годовой производительности гидроэлектроэнергии Норвегии.

Вернемся к частицам. Когда частица сталкивается с соответствующей античастицей, обе частицы исчезают. А если по-научному, то происходит аннигиляция. Остается только масса. И как раз эта масса и есть энергия. А вот энергия преобразуется по-разному. Она может, например, стать электромагнитным излучением. И так как даже маленькая масса дает много энергии, электромагнитное излучение будет обладать высокой энергией. Такое излучение называется гамма-излучением. А еще энергия может преобразоваться в новую пару частицы и античастицы, пути которых, возможно, дальше разойдутся.

Может показаться, что антивещество – это пустая теоретическая спекуляция. Но не тут-то было: за антивеществом наблюдали в бесчисленном множестве различных экспериментов с частицами. Мы не замечаем его в повседневной жизни, поскольку частицы антиматерии сразу же натыкаются на частицы обычной материи в этом не приспособленном для них мире и моментально аннигилируют. Но все же антивещество можно создать в мощных столкновениях – в ускорителе заряженных частиц, например. В них можно успеть взглянуть на античастицы до того, как они исчезнут. Антивещество существует: мы его видели. Но жизнь его на напичканной обычной материей Земле беззаботной не назовешь.

А при чем тут вообще темная материя? Ну, смотрите, некоторые частицы сами себе античастицы. Если рассматривать Стандартную модель, то это касается, например, бозона Хиггса, бозона Z и, возможно, нейтрино. Есть причины полагать, что вимпы темной материи тоже будут своими же античастицами. Но как им тогда удается существовать в огромных количествах в космическом пространстве? Дело вот в чем: эти частицы пересекаются настолько редко, что способны прожить миллиарды лет, пока не аннигилируют. Но иногда вимпы, конечно, встречаются, и тогда происходит аннигиляция. А оставшаяся от них энергия сможет преобразоваться в гамма-излучение, например, или электрон и позитрон, а эти частицы мы уже способны увидеть. Вот вам и следы темной материи.

Следы вимпов в космосе

Международная космическая станция парит в 400 километрах над поверхностью Земли, двигаясь со скоростью почти восемь километров в секунду. Это самый большой созданный руками человека объект за пределами атмосферы Земли: по размерам МКС соответствует футбольному полю. Международная космическая станция – совместный проект ряда стран, в том числе США, России и Японии, а также Европейского космического агентства (ЕКА), членом которого является и Норвегия. На МКС работают ученые из всех уголков мира, а потому космическая станция считается символом сотрудничества вопреки культурным и национальным различиям. Но, прежде всего, это исследовательская лаборатория. Здесь проводятся эксперименты, которые невозможно повторить на Земле, – без влияния атмосферы и веса.

Магнитный альфа-спектрометр (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS) – это один из экспериментов на Международной космической станции. Этот прибор размером с автомобиль установлен снаружи станции, а его главная миссия – поиски следов аннигилировавших частиц темной материи. С особым усердием AMS ищет вимпы, превратившиеся вследствие аннигиляции в электроны и позитроны. Из-за того, что позитроны неспособны преодолеть атмосферу Земли, спектрометр и установили в космосе. Войдя в атмосферу, позитроны сталкиваются с электронами, и начинается реакция аннигиляции. А в почти полной пустоте космоса даже таким античастицам, как позитроны, удается проходить большие расстояния не исчезая.

Электрон, а следовательно, и позитрон – частицы очень легкие. У нас есть веские основания полагать, что вимпы темной материи должны быть гораздо массивнее. Если два вимпа аннигилируют, они выделяют много энергии, намного больше, чем необходимо для образования электрона и позитрона. Что же происходит с этой лишней энергией? Она придает электрону и позитрону большую скорость. А чем тяжелее вимпы, тем больше энергии достанется электронам и позитронам, тем самым ускоряя их. Таким образом, магнитный альфа-спектрометр будет отличать электроны и позитроны, полученные в результате аннигиляции вимпов, по огромным скоростям, близким к скорости света. И в этом случае по величине скорости можно будет рассчитать первоначальную массу вимпов.

Так что же обнаружил спектрометр? На данный момент команда ученых зарегистрировала большое количество как электронов, так и позитронов, которые достигли их детектора на огромных скоростях. Электроны есть абсолютно везде, поэтому сам факт их встречи с детектором особого удивления не вызывает. Но что насчет попавших в эксперимент позитронов, то есть античастиц? Может, они и есть следы аннигиляции темной материи? К сожалению, не все так просто. Во Вселенной существуют и другие процессы, порождающие позитроны. Например, источником позитронов могут быть быстро вращающиеся нейтронные звезды. Об этих звездных останках я упоминал ранее в книге: они настолько компактны, что бутылка из-под газировки с веществом нейтронной звезды весит столько же, сколько вся вода в озере Мьёса.

И как тогда понять, что в эксперимент попадают позитроны, образованные именно аннигиляцией вимпов? Есть один отличительный признак, на который стоит обращать внимание, – скорость позитронов.

Скорость позитронов, как я уже говорил, зависит от массы аннигилировавших вимпов. После того, как энергия из массы вимпов превратилась в электрон и позитрон, остается определенное количество энергии, которая, в свою очередь, может придать им ускорение. Тогда можно предположить, что все позитроны, появившиеся из-за аннигиляции вимпов, будут обладать одинаковой, невероятно большой скоростью. Но и тут не все так просто. У вимпов ведь до столкновения тоже могла быть своя скорость, которая будет суммироваться со скоростью позитронов.

Или вимпы могли сначала аннигилировать и превратиться в частицы другого типа, которые позже образовали позитроны. А еще скорость позитрона могла измениться во время путешествий по космосу. В общем, все сложно. Но, принимая во внимание подобные факторы, все равно можно сделать предположения о количестве позитронов с различными скоростями.

AMS провел точные измерения скоростей замеченных им позитронов. Пока результаты не особо впечатляют и не очень похожи на то, что можно было бы ожидать от аннигиляции вимпов. Но еще рано делать какие-либо выводы. У позитронов бывают и другие источники. Чтобы узнать больше, нужно изучить позитроны, которые движутся еще быстрее и, соответственно, обладают большим количеством энергии, чем те, которые удалось заметить детекторам. В любом случае AMS – великолепное руководство по поиску темной материи через косвенные улики, такие, например, как позитроны.