В кінці квітня на невеликому прискорювачі в Лабораторії Джефферсона стартує експеримент з пошуку темної матерії

На відміну від багаторічних дослідів на Великому адронному колайдері, він триватиме лише три тижні, проте фізики сподіваються, що за цей час їм вдасться виявити гіпотетичну частку, відому як важкий, або темний, фотон. Якщо ця частка буде виявлена, вченим доведеться істотно переписувати існуючі моделі будови Всесвіту.

Такі незвичні слова, як коллайдер, бозони, нейтрино, кварки, Стандартна модель, за останні кілька років міцно увійшли в повсякденний словник навіть далеких від фізики громадян. Завдяки розвитку технологій, в 2000-е у вчених з’явилася можливість вивчати найпотаємніші рівні будови матерії з інтенсивністю, набагато перевершує їх минулі можливості. А крім того, в сучасному світі панування медіа фізичні дослідження отримали небувалий досі піар.

Експерименти і теорія

При цьому основні відкриття фізики елементарних частинок відбулися значно раніше – перші шістдесят років XX століття. Причому нерідко нові відкриття змушували фізиків повністю відмовлятися від усталених і, головне, несуперечливих уявлень про навколишній світ. Так, в кінці 1930-х років вчені, що досліджують космічні промені, виявили нову частинку, що отримала назву мюон, яка ніяк не вписувалося в існуючу тоді фізичну картину світу. Один з провідних фізиків того часу, нобелівський лауреат Ісаак Раббі відреагував на цю звістку досадливым вигуком:

«Ну, і хто це замовляв?!»

За кілька наступних років експериментатори виявили ще кілька невідомих раніше елементарних частинок – в цілому, їх набралося дванадцять, зручно розмістилися в систему з трьох сімейств по чотири частинки в кожному. З цих елементарних «цеглинок», як вважається, складається вся речовина у Всесвіті. Речовина чи матерія, не просто статично існує, а піддається різноманітним взаємодіям, які, як виявилося, діляться на чотири фундаментальних типу: сильного, слабкого, електромагнітного і гравітаційного. Як встановили фізики, взаємодії також переносяться частками, хоча щодо існування частинки-переносника гравітації – гравитона – серед вчених немає єдиної думки.

Фахівці звели властивості всіх відкритих частинок і взаємодій (крім гравітаційного) в єдину теорію під назвою Стандартна модель. Стандартна модель всім хороша, але у неї і пропонованого нею опису світу є кілька прикрих недоліків, які здорово турбують багатьох фізиків.

  • По-перше, вона ніяк не пояснює, чому частинки володіють такими властивостями – наприклад, чому сімейств частинок саме три, а не, скажімо, вісім, або чому маси «споріднених» частинок з різних сімейств так сильно відрізняються один від одного – на перший погляд, у значенні цього параметра не спостерігається ніякої системи. При цьому навіть дуже невеликі зміни значень входять в Стандартну модель параметрів призвело б до капітальної перебудови Всесвіту – такий світ не мав абсолютно нічого спільного з тієї Всесвіту, яку ми знаємо.

Питання «а чому саме так?» виникають і з приводу фундаментальних взаємодій, які відрізняються один від одного на десятки порядків: наприклад, сильний в тисячу разів перевершує електромагнітне, а електромагнітне 1042(!) разів сильніше гравітаційного – хоча гравітація і не входить в Стандартну модель.

І це ще один дуже серйозний її недолік: хоча незаперечних доказів того, що всі чотири взаємодії повинні поєднуватися в рамках однієї теорії, ні, більшість фізиків впевнені, що єдина система повинна існувати багато людей, міцно забули фізику одразу після закінчення школи, тим не менш, пам’ятають, що Ейнштейн останні кілька десятиліть свого життя безуспішно намагався створити саме таку теорію).

Таким чином, в середині минулого століття основна проблема фізиків полягала в тому, що у них була маса нових частинок, але не було системи, яка могла б їх упорядкувати. До кінця XX століття ситуація змінилася на протилежну: багато фахівців сходяться на тому, що Стандартна модель потребує оновлення або хоча б кардинального перегляду, але отримати достатні експериментальні докази того, що ця система застаріла (тобто виявити щось, що ніяк не може бути пояснене в термінах Стандартної моделі), ніяк не вдається.

При цьому фізики розробили декілька теорій, що претендують на місце довгожительки. До числа найбільш сильних з них, безсумнівно, входять теорія струн (або суперструн) і теорія суперсиметрії. Доказом правомірності цих або будь-яких інших теорій, що розширюють Стандартну модель, має стати виявлення нових частинок або уточнення властивостей вже знайдених частинок (наприклад, пояснення нових типів нейтринних осциляцій).

Найбільше надій на виявлення нових частинок вчені пов’язують з експериментами на колайдерах – фізичних приладах, які з величезною енергією зіштовхують один з одним пучки різних елементарних частинок. В таких аваріях» вихідні частинки «розлітаються» на інші частинки, які, в свою чергу, можуть розпадатися на декілька «осколків». Рано чи пізно утворилися при зіткненнях частинки долітають до детекторів, і, аналізуючи їх склад, енергію і траєкторію руху, дослідники можуть відновити весь ланцюжок перетворень.

Втрачена матерія

Тепер саме час перенестися з Землі в далекий космос. Тому що у вивчають його астрономів виникли ті ж труднощі, що і у фізиків, що стежать за сутичками пучків на прискорювачах елементарних частинок. Ще в 30-ті роки XX століття швейцарський астроном Фріц Цвикки припустив, що у Всесвіті повинна існувати якась ненаблюдаемая матерія – причому її повинно бути дуже багато, набагато більше, ніж звичайної матерії. Гіпотетичну субстанцію назвали темною матерією, або прихованою масою, а необхідність в ній виникла із-за того, що гравітаційного тяжіння (а значить, маси) видимих в телескопи галактик і їх скупчень ніяк не вистачало, щоб утримати компоненти Всесвіту разом (тут можна прочитати про це детальніше).

Пізніші розрахунки показали, що, в цілому, на темну матерію має припадати близько 23 відсотків всієї маси Всесвіту, а частка видимого речовини не перевищує 4,5 відсотка. Решту 72 відсотка «взяла на себе» темна енергія – сила, яка змушує Всесвіт розширюватися з прискоренням.

Гіпотеза про існування темної матерії дуже добре пояснює спостережувані космічні явища, однак досі експериментально виявити частинки загадкової субстанції вченим не вдалося, тому що вона не випускає електромагнітного випромінювання, і, значить, її не можна побачити неозброєним оком, ні в телескоп (строго кажучи, не знайденої залишається тільки так звана небарионная темна матерія, а існування баріонної прихованої маси – тьмяних планет-гігантів і коричневих карликів – ні в кого сумнівів не викликає).

При цьому «підозрілих» спостережень, які можуть побічно вказувати на присутність темної матерії, вчені зареєстрували чимало, проте всі вони так чи інакше «не дотягують» до повноцінних доказів. Наприклад, у 2008 році прилад під назвою PAMELA, (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics – апарат для дослідження антиматерії і астрофізики легких ядер), встановлений на російському супутнику «Ресурс-ДК1», виявив в космічних променях надлишок позитронів – позитивно заряджених аналогів електронів. Передбачається, що при взаємної анігіляції частинок темної матерії (їх називають вимпы) повинні утворюватися саме позитрони. Згідно більшості теоретичних моделей, цей процес повинен призводити до народження пар протонів і антипротонів, однак їх PAMELA виявити не вдалося.

Фізики з лабораторії Джефферсона в штаті Вірджинія, США придумали ще один спосіб виявити частку вислизає матерії – причому навіть «більш темну», ніж звичайний wimp. Учені, що працюють на розташованому в лабораторії прискорювачі CEBAF, сподіваються зареєструвати народження так званих важких, темних, фотонів. На відміну від звичних квантів світла, передавальних електромагнітне взаємодія, темні фотони є переносниками п’ятої фундаментальної сили, що діє тільки на частинки «темного сектора».


Рис. 2. Загальний вид на лабораторію
Джефферсона. Фото з сайту jlab.org.

Поки ні існування «темного сектора», ні наявність п’ятого взаємодії однозначно не визнано науковим співтовариством, проте вірджинські фізики мають намір провести задуманий ними експеримент хоча б з тієї причини, що він повинен зайняти всього три тижні. Протягом цього часу вчені будуть «розбивати» потік електронів про вольфрамову мішень – в середньому щосекунди у неї будуть «заглиблюватися» близько 500 мільйонів електронів. Енергія електронного пучка така, що при зіткненнях з мішенню з високою ймовірністю будуть народжуватися темні фотони (якщо вони існують), які буде «ловити» детектор HPS (Heavy Photon Search – детектор з пошуку важких фотонів). Експеримент стартує 24 квітня, і за 21 день учені мають намір «перевірити» кілька можливих діапазонів маси темного фотона. Потім колайдер закриють для переобладнання – енергію електронного променя збільшать удвічі, і такий апгрейд дозволить у 2015 році почати пошуки інших частинок темного сектора.

В успіх експерименту на детекторі HPS вірять небагато, але упустити шанс випробувати захоплюючу гіпотезу всього за три тижні і смішні три мільйони доларів (у цю суму обійшлося будівництво детектора) вчені не могли. Дуже може бути, що і ця спроба виявити загадкові частинки закінчиться невдачею.

Але незалежно від результату останньої вона точно не стане: фізиків і астрономів дуже потрібна темна матерія, так як без неї навколишній світ залишається незрозумілим – що вчених, зрозуміло, не влаштовує. Якщо ж «темний сектор» так і не піддасться дослідникам, їм доведеться якось «впихнути» спостерігаються аномалії в існуючі моделі – придумати нові перевірочні експерименти.

Автор: Ірина Якутенко.

lenta.ru

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *