Тёмное вещество оказалось гораздо неуловимее, чем надеялись учёные.
Бóльшая часть вещества во Вселенной невидима. Мы можем измерить гравитационное влияние этого «тёмного вещества» на орбиты звёзд и галактик. Мы видим, как оно искривляет свет вокруг себя, и можем зафиксировать его воздействие на излучение, оставшееся от первичной плазмы горячего Большого взрыва. Всё это измерено с поразительной точностью. У нас есть все основания полагать, что тёмное вещество присутствует повсюду. Однако мы до сих пор не знаем, что оно из себя представляет.
Вот уже несколько десятилетий мы проводим эксперименты в попытках обнаружить тёмное вещество, но пока безуспешно. Возможно, открытие уже не за горами. Однако долгие годы ожидания заставили некоторых исследователей задуматься: быть может, мы ищем не там или же и вовсе неправильно? Многие эксперименты сосредоточены на ограниченном числе возможных кандидатов на роль тёмного вещества — тех, которые, как предполагается, могут одновременно решить и другие проблемы физики. Тем не менее, нет никаких гарантий, что эти другие загадки связаны с проблемой этого самого тёмного вещества. Всё больше физиков признают, что нам, возможно, придётся расширить круг поисков и рассмотреть более широкий спектр возможных объяснений. Масштаб этой задачи одновременно пугает и вдохновляет.
При всём при этом, мы начинаем осознавать, что нам, возможно, никогда не удастся точно установить природу тёмного вещества. В ранние годы его исследования эта идея казалась абсурдной. У нас было множество перспективных теорий и достаточно экспериментальных возможностей для их проверки. Но лёгкие пути уже пройдены, а тёмное вещество оказалась гораздо более загадочным, чем мы могли себе представить. Вполне возможно, что оно ведёт себя таким образом, что существующие эксперименты попросту не могут его обнаружить, или же тёмное вещество полностью игнорирует окружающие нас частицы. Если оно не взаимодействует с атомами через какие-либо механизмы, помимо гравитации, его будет почти невозможно обнаружить в лабораторных условиях. В таком случае мы всё же можем надеяться узнать кое-что о нём, составив карту его распределения во Вселенной. Но существует вероятность, что тёмное вещество окажется настолько неуловимым, что мы никогда не поймём его истинную природу.
Тёплым летним вечером августа 2022 года мы собрались за столом с несколькими другими физиками в Вашингтонском университете. Мы обсуждали итоги «Процесса Snowmass» — многомесячных встреч и дискуссий, которые сообщество физиков-исследователей частиц из США проводит каждые десять лет, чтобы определить приоритеты для будущих научных экспериментов. Нам поручили подвести итоги прогресса и перспектив поиска тёмного вещества. Нам казалось пугающе сложным составить список возможных объяснений его природы и идей для его поиска.
Сейчас мы дошли до особого этапа исследования этого феномена. С 1990-х годов тысячи учёных тщательно искали частицы, которые могли бы быть его частью. На сегодняшний день они исключили многие из самых простых и очевидных вариантов. Тем не менее, большинство физиков уверены, что тёмное вещество существует и представляет собой уникальную форму материи.
Вселенная без тёмного вещества не могла бы существовать вне кардинальных изменений в законах гравитации, какими мы их понимаем сегодня на основе общей теории относительности Эйнштейна. Модификация теории таким образом, чтобы обойтись без тёмного вещества — либо путём корректировки уравнений общей теории относительности с сохранением её базовых принципов, либо введением новой парадигмы, которая полностью заменит общую теорию относительности — кажется исключительно сложной задачей.
Изменения должны были бы имитировать эффекты тёмного вещества в астрофизических системах, начиная от гигантских скоплений галактик и заканчивая самыми маленькими галактиками-спутниками Млечного Пути. Иными словами, эти модификации должны действовать на огромных масштабах расстояний и времени, не противореча множеству точных измерений, которые мы уже провели, изучая действие гравитации. Кроме того, они должны объяснить, почему, если тёмное вещество — это лишь модификация гравитации (которая универсально связана со всем веществом), не все галактики и скопления его содержат. Более того, самые сложные попытки создания самосогласованных теорий модифицированной гравитации, чтобы исключить тёмное вещество, всё равно приводят к введению некоего его аналога, чтобы объяснить рябь, которую мы наблюдаем в космическом микроволновом фоне — реликтовом излучении Большого взрыва.
Масштаб проблемы тёмного вещества одновременно пугает и вдохновляет.
В противовес этому, предположить существование нового типа вещества, которое просто не взаимодействует со светом — довольно простая идея. Более того, у нас уже есть готовый пример в виде нейтрино — практически безмассовых частиц, которые окружают нас повсюду, но крайне редко взаимодействуют с другим веществом. Проблема в том, что как мы уже выяснили — нейтрино не могут объяснить большую часть тёмного вещества во Вселенной. В лучшем случае, они могут составлять около 1 процента от его общего объёма.
А что же насчёт остальных 99 процентов? Может ли тёмное вещество быть лишь вершиной айсберга открытий — первым свидетельством существования одной или нескольких новых частиц, не входящих в Стандартную модель физики? Могут ли существовать новые силы, воздействующие на тёмное вещество, которые не действуют на известные частицы (так же как тёмное вещество, похоже, не подвержено воздействию электромагнитных сил)? Или же, возможно само тёмное вещество быть связанным с новыми фундаментальными принципами природы? Может ли оно помочь решить неразрешённые загадки в рамках уже хорошо изученной физики Стандартной модели или пролить свет на самые ранние моменты истории Вселенной? Пока нет точных ответов на все эти вопросы, однако потенциал такого открытия побуждает нас продолжать поиски.
Два самых популярных кандидата на роль тёмного вещества — это слабо взаимодействующая массивная частица (WIMP) и аксион, предложенный в рамках квантовой хромодинамики (QCD). Эти теории существенно повлияли на представления учёных о природе тёмного вещества и стали основой для множества экспериментов, направленных на его обнаружение.
WIMP — это гипотетические стабильные частицы с массами, сопоставимыми с частицами Стандартной модели. Масса протона чуть меньше 1 ГэВ/с², и большинство экспериментов по поиску частиц WIMP сосредоточены на диапазоне масс от 10 до 1 000 ГэВ/с² (физики-исследователи частиц часто измеряют массу в единицах энергии, используя формулу Эйнштейна E = mc²). Классическая версия теории WIMP предполагает существование новой частицы, которая взаимодействует с W- и Z-бозонами — носителями слабого ядерного взаимодействия (отсюда буква «W» в аббревиатуре WIMP). Подобные частицы естественным образом возникают в теориях супергравитации, где каждая знакомая нам частица имеет более тяжёлого «суперпартнёра».
Пятнадцать лет назад физики надеялись, что Большой адронный коллайдер (БАК) в окрестностях Женевы обнаружит суперпартнёров, но этого не произошло. Если теория суперсимметрии верна, то суперпартнёры, вероятно, имеют бо́льшую массу, чем предполагалось ранее. Кроме того, хотя многие версии суперсимметрии предсказывают наличие тёмного вещества в виде частиц WIMP, но обратное утверждение не обязательно верно — частицы WIMP остаются возможными кандидатами на роль тёмного вещества даже в моделях Вселенной без суперсимметрии.
Одна из причин, по которой многие физики увлечены идеей частиц WIMP, заключается в том, что они естественным образом могли бы создать именно то количество тёмного вещества, которое мы наблюдаем во Вселенной. Согласно этой концепции, когда космос был намного меньше, плотнее и горячее, чем сейчас, даже слабых взаимодействий было достаточно для создания частиц WIMP в результате столкновений известных нам частиц. Подобный процесс происходил и в обратном направлении: когда частицы WIMP сталкивались, они создавали обычные частицы. Если бы Большой взрыв не создал их изначально, известные частицы сделали бы это сами. А столкновения частиц WIMP, превращающие их энергию в обычные частицы, разрушили бы большую их часть, оставив только остаточное количество. Например, частицы WIMP с массой примерно с бозон Хиггса могли бы производить правильное количество тёмного вещества. Этот механизм прост и привлекателен.
Частицы WIMP привлекают многих экспериментаторов, поскольку они должны обладать сильным взаимодействием с известными частицами — именно это позволяет им генерировать нужное количество тёмного вещества. Существует три классических способа поиска частиц WIMP:
- Эксперименты при помощи коллайдеров: в рамках этих экспериментов мы надеемся воспроизвести условия ранней Вселенной, сталкивая частицы Стандартной модели друг с другом, чтобы создать тёмное вещество.
- Прямое обнаружение: в этих экспериментах используются чрезвычайно чувствительные детекторы для поиска видимых частиц, которые «прыгают» при столкновении с частицей тёмного вещества.
- Косвенное обнаружение: здесь мы ищем знакомые частицы, образующиеся в результате столкновений и аннигиляции частиц тёмного вещества в космосе.
В частности, третий подход тестирует именно те разрушительные процессы, которые должны были сформировать изрядное количество частиц WIMP в ранней Вселенной. Поэтому, если эти реакции ведут себя сегодня так же, как и в ранней Вселенной, мы можем получить чёткое предсказание о том, как часто они происходят. Для первых же двух подходов предсказания не столь однозначны. В экспериментах на коллайдерах наша способность обнаруживать частицы WIMP зависит от их массы: более массивные экземпляры могут потребовать больше энергии для их создания, чем доступно на коллайдере. В прямом же обнаружении мы не знаем, как часто частицы WIMP будут сталкиваться с обычными частицами.
Астрофизические наблюдения — методы косвенного обнаружения — выявили несколько сигналов, которые могут указывать на аннигиляцию тёмного вещества, но существуют и более прозаические объяснения этих явлений. Например, избыток гамма-излучения в диапазоне ГэВ из центра нашей Галактики представляет собой свечение гамма-лучей из сердца Млечного Пути. Его интенсивность и энергия соответствуют тому, что мы ожидаем от аннигиляции частиц WIMP. Этот эффект был обнаружен в 2009 году, но почему до сих пор не было сделано однозначного вывода? К сожалению, известно, что определённые быстро вращающиеся нейтронные звёзды способны генерировать гамма-излучение с аналогичными характеристиками. Вполне возможно, что этот избыток является первым признаком новой популяции таких звёзд. Мы надеемся, что этот вопрос будет решён в ближайшие годы: присутствие сопутствующего сигнала в экспериментах по прямому обнаружению тёмного вещества или же в коллайдере подтвердило бы гипотезу аннигиляции тёмного вещества, тогда как выявление излучения от нейтронных звёзд на других длинах волн опровергло бы её.
В течение следующего десятилетия крупные гамма-телескопы, такие как строящийся в Чили и Испании Cherenkov Telescope Array и проектируемая Южноамериканская широкоугольная гамма-обсерватория (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory), смогут протестировать механизм аннигиляции частиц WIMP для объяснения происхождения тёмного вещества при его максимальных возможных массах. Однако, даже если аннигиляция тёмного вещества не будет обнаружена, существуют лазейки для сохранения теории WIMP. В некоторых моделях процесс аннигиляции, который создал частицы WIMP во времена ранней Вселенной, может отключаться на более поздних этапах. Однако в таких случаях они всё равно должны проявляться в экспериментах на коллайдерах и, в том числе, в экспериментах по прямому обнаружению.
Когда мы задаём вопрос «Чем может быть тёмное вещество?» — количество возможных ответов практически бесконечно.
Эксперименты по прямому обнаружению достигли значительных успехов в плане повышении чувствительности инструментов к редким астрономическим событиям. В течение 10 лет следующее поколение экспериментов будет проводиться на оборудовании с такой высокой чувствительностью, что появится возможность регистрировать нейтрино от Солнца, проходящие сквозь детектор. Пока же мы не достигли этой точки, нет других процессов, которые могли бы замаскироваться под тёмное вещество, и нет непреодолимых технических препятствий для проведения таких экспериментов. Существуют множество простых моделей WIMP, которые могут проявиться в этом диапазоне.
QCD аксион (или же аксион квантовой хромодинамики) — это совершенно иной тип кандидата в тёмное вещество, и до недавнего времени у нас не было возможности полноценно его изучить. Как и в случае с теорией WIMP, аксион был бы новой фундаментальной частицей, однако гораздо меньших размеров: аксионы значительно легче любых известных частиц, даже нейтрино. Если такие частицы существуют, независимо от того, составляют ли они всё тёмное вещество или нет, они могли бы помочь разрешить давние загадки, связанные с нашим пониманием сильного взаимодействия — силы, удерживающей атомные ядра вместе. Более того, связанные с аксионом теории предсказывают конкретные эффекты: если известна масса аксиона, можно оценить силу его взаимодействия с известными частицами. К сожалению, эти взаимодействия зависят от массы аксиона и могут быть чрезвычайно слабыми для более лёгких аксионов.
Тем не менее, взаимодействия аксионов могут оказать заметное влияние, так как для того, чтобы объяснить тёмное вещество, они должны быть настолько многочисленны, что проявлялись бы скорее как волна, а не как отдельные частицы. Согласно квантовой механике, каждая фундаментальная частица также является волной и имеет связанную с ней длину волны, обратно пропорциональную её массе. На масштабах, меньших этой длины волны, классическое представление о частице теряет свою применимость. Аксионы настолько лёгкие, что мы могли бы наблюдать такие квантовые эффекты на расстояниях, сопоставимых с типичными масштабами экспериментов на Земле.
Из-за того, что аксионы QCD, как ожидается, будут слабо взаимодействовать с обычным веществом, до сих пор их поиски проводились в рамках очень небольшого количества экспериментов, охватывающих лишь малую долю возможного диапазона масс. Однако новые стратегии их обнаружения и технологии квантовых сенсоров открывают перспективы для поиска аксиона QCD в на несколько порядков более широком диапазоне масс. Последняя версия долгосрочного эксперимента под названием ADMX-G2 обладает чрезвычайно высокой чувствительностью, а предстоящие проекты, такие как DMRadio, обещают значительно расширить возможности поиска.
В течение следующего десятилетия значительный рывок в чувствительности экспериментального оборудования позволит впервые проверить как теорию WIMP, так и теорию аксиона QCD в большей части их естественного диапазона масс. Теоретическая база уже подготовлена, и планы для проведения экспериментов разработаны. На этом можно было бы остановиться — есть высокая вероятность, что эти подходы приведут нас к решению загадки тёмного вещества.
И всё же… несмотря на то, что частицы WIMP и аксионы QCD — это элегантные теории, нет никакой гарантии, что Вселенная соответствует нашим эстетическим предпочтениям. Если задаться вопросом «Что же такое тёмное вещество?», то варианты ответа практически бесконечны.
Существует целый калейдоскоп теорий, каждая из которых объясняет все необходимые свойства тёмного вещества для описания устройства Вселенной, но при этом опирается на разные частицы и взаимодействия. Теоретики тщательно исследовали, какие из этих идей могут сработать, а какие не согласуются с наблюдениями. Многие из жизнеспособных гипотез удивительным образом отличаются от частиц WIMP и аксионов QCD. Некоторые, например, предполагают существование массивных совокупных объектов, состоящих из множества более мелких компонентов — нечто вроде атомов тёмного вещества, состоящих из различных его частиц.
Существует предел того, насколько малыми могут быть частицы тёмного вещества. Если бы они были намного легче аксионов — примерно на 25 порядков легче массы электрона, — их длины волн могли бы быть сопоставимы с размерами звёздных скоплений или малых галактик. В таком случае распределение тёмного вещества и его гравитационное воздействие заметно отличались бы от того, что мы наблюдаем.
А что насчёт противоположного конца шкалы масс? Самые маленькие скопления тёмного вещества, которые мы можем наблюдать напрямую, имеют массу в десятки миллионов раз больше массы Солнца. Индивидуальные его частицы должны быть гораздо легче, но насколько? Если бы тёмное вещество состояло из плотных, тёмных объектов — в шутливом противопоставлении частицам WIMP часто называемых массивными компактными гало-объектами (MACHOs), — то их гравитация могла бы отклонять свет и нарушать орбиты, проносясь сквозь галактику, что можно было бы зафиксировать. MACHOs могли бы существовать в форме крошечных чёрных дыр, возникших в первые мгновения после Большого взрыва. Эти чёрные дыры не образовывались бы из звёзд, так как тёмное вещество существовало до появления звёзд, и они могли бы быть намного легче Солнца.
Единственное, что способно объяснить всё тёмное вещество при помощи подобных чёрных дыр — это если бы их масса была сопоставима с астероидами в Солнечной системе — от примерно 100 миллиардов до 100 тысяч триллионов метрических тонн. Это означает, что она составляла бы примерно одну тысячную массы Луны, что делало бы их на 75 порядков тяжелее самых маленьких возможных частиц тёмного вещества (для сравнения, соотношение между радиусом нашей наблюдаемой Вселенной и радиусом протона составляет всего около 41 порядка величины). Это действительно огромный диапазон масс для изучения.
У нас есть множество вариантов в огромной диапазоне между этими двумя крайностями. Механизм, который мог бы привести к появлению частиц WIMP в ранней Вселенной, также мог бы сработать и для многих других частиц. Если бы тёмное вещество было бы легче протона и возникло в результате этого процесса, оно могло бы быть лишь одной из многих новых частиц, существующих в так называемом «тёмном секторе» физики. Эти другие частицы, как правило, нестабильны, поэтому в космосе их было бы крайне мало. Однако их можно было бы обнаружить в ускорителях частиц, особенно если они тоже относительно лёгкие.
Лёгкое тёмное вещество и тёмные секторы физики могут существовать и без необходимости полагаться на WIMP-механизм для создания нужного количества тёмного вещества — существует множество других возможностей, объясняющих наблюдаемую его массу.
Если тёмный сектор физики действительно существует, нам нужны новые экспериментальные методы для его обнаружения. Классические детекторы WIMP, например, теряют чувствительность, когда тёмное вещество значительно легче атомных ядер, поскольку они ищут мощный «удар» по ядрам с его стороны. Новые технологии позволяют искать признаки воздействия на электроны (которые в 2000 раз легче протонов) или использовать ещё более креативные стратегии для регистрации минимальных передач энергии от тёмного вещества к стандартным частицам. Недавний прорыв в области ультрачувствительных квантовых сенсоров может помочь в таких исследованиях.
Единственный способ исследовать такой широкий спектр возможностей — это проводить множество небольших экспериментов, каждый из которых будет чувствителен к различным видам тёмного вещества, а не концентрировать все ресурсы на нескольких крупных проектах. Эти небольшие эксперименты также можно использовать для разработки новых технологий и проверки свежих идей. Если одна из таких стратегий окажется эффективной или выдаст результат, который может быть первым намёком на тёмное вещество, её можно будет масштабировать.
Поиски тёмного вещества методом косвенного обнаружения уже охватывают огромный диапазон энергетических шкал. Если бы тёмное вещество медленно распадалось на видимые частицы, и при этом его средний срок жизни был бы в миллиард раз больше текущего возраста Вселенной, мы бы уже обнаружили это для большого диапазона его возможных масс. Таким методом можно, например, проверять существование первичных чёрных дыр. Именно поэтому мы знаем, что если бы чёрные дыры составляли всё тёмное вещество, то их масса не могла быть меньше примерно 100 миллиардов тонн (чёрные дыры меньшей массы распадаются быстрее).
И даже если нам не удастся обнаружить хоть что либо, мы продолжим узнавать больше о тёмном веществе, исследуя его гравитационное воздействие в космосе. Современные и будущие инструменты будут с невероятной точностью и глубиной измерять распределение звёзд и далёких галактик. Прогресс в области прецизионной космологии и искусственного интеллекта позволяет развивать методы, которые помогут извлечь максимум информации из этих данных. Такие наблюдения могут дать новые подсказки о фундаментальной природе тёмного вещества, дополняя то, что можно узнать в лабораторных условиях.
После всех обсуждений на конференции Snowmass, физическое сообщество решило принять сбалансированную стратегию. Мы планируем скрупулёзно изучать наши наиболее перспективные теории тёмного вещества, одновременно проводя более широкие (хотя и менее детализированные) поиски, чтобы исследовать как можно больше возможных сценариев.
Если нам повезёт, один из этих экспериментов обнаружит след частицы тёмного вещества. Как только это произойдёт, мы станем свидетелями смены научной парадигмы. Широкие и разнообразные поиски сузятся, сосредоточившись на этом следе, и дальнейшие эксперименты будут направлены на его более глубокое изучение. Открытие также подтолкнёт теоретиков к исследованию более глобальной картины — как связать тёмное вещество с остальной частью «зоопарка» частиц, который нам уже известен.
Но что, если ни один из этих экспериментов не завершится успешно? Возможно, физикам на следующей конференции Snowmass, которая состоится примерно через десятилетие, придётся воспользоваться лишь отрицательными результатами, чтобы наметить направление для будущих поисков. Нельзя исключать, что такой исход будет разочаровывающим, но его всё равно можно считать значительным достижением. Наука развивается шаг за шагом, и результаты, которые показывают, где не стоит искать новые ответы, также важны, как и те, что подтверждают правильность какой-либо идеи. Если бы мы могли с уверенностью предсказать, что представляет из себя тёмное вещество, это значило бы, что ответ уже известен, и наша работа была бы гораздо менее увлекательной. И хотя мы не можем точно сказать, когда мы отыщем и найдём ли вообще то самое тёмное вещество, мы знаем, что Вселенная наполнена им. Мы остаёмся оптимистами и верим, что предстоящие годы поисков приведут нас к более глубокому пониманию его природы.