Темна матерія виявилася невловимішою, ніж сподівалися фізики
Більша частина матерії в нашому Всесвіті невидима.Можна виміряти гравітаційний вплив цієї «темної матерії» на орбіти зірок і галактик. Ми бачимо, як ця матерія викривляє світло навколо себе, і можемо виявити її вплив на світло, що лишилося від первинної плазми гарячого етапу Великого вибуху. Науковці можуть вимірювати ці сигнали з надзвичайною точністю. Отже, у нас є всі підстави вважати, що темна матерія існує всюди. Але ми досі не знаємо, що це власне таке.
Людство намагається виявити темну матерію, проводячи експерименти вже кілька десятиліть, але безрезультатно. Можливо, ми зможемо вперше її виявити вже незабаром, але такий довгий період безрезультатних пошуків змусив деяких вчених, які шукають темну матерію, замислитися, що може ми шукаємо її не там або не так. Чимало зусиль дослідників зосереджено на відносно невеликій кількості можливих способів виявлення темної матерії – тих, які, ймовірно, можуть одночасно вирішити й інші фундаментальні проблеми фізики. Однак немає жодних гарантій, що інші питання й загадки фундаментальної фізики якось пов’язані саме з темною матерією. Усе частіше фізики визнають, що їм, можливо, доведеться розглянути ширший спектр можливих пояснень. Масштаби проблеми одночасно лякають і захоплюють.
Водночас ми починаємо усвідомлювати невтішне припущення, що, можливо, нам взагалі ніколи не вдасться з’ясувати природу темної матерії. У перші роки полювання на темну матерію ця ідея здавалася абсурдною. У нас було багато хороших теорій і безліч експериментальних можливостей для їх перевірки. Але легкі шляхи здебільшого вже пройдені, а темна матерія виявилася загадковішою, ніж ми могли собі уявити. Цілком можливо, що темна матерія має таку природу, що сучасні експерименти не здатні її виявити – або навіть повністю ігнорує звичайну матерію. Якщо темна матерія не взаємодіє зі стандартними атомами за допомогою інших механізмів окрім гравітації, то виявити її в лабораторних умовах буде майже неможливо. Але в нас ще є шанс дізнатися про темну матерію, картографуючи її присутність у Всесвіті. Та все ж існує ймовірність, що темна матерія буде настільки невловимою, що ми ніколи не зможемо зрозуміти її справжню природу.
Одного теплого літнього вечора в серпні 2022 року ми з кількома іншими фізиками у Вашингтонському університеті. Планували обговорити завершення «Процесу Сноумаса» — річного дослідження, яке американська спільнота фізиків елементарних частинок проводить приблизно кожне десятиліття, щоб узгодити пріоритети майбутніх досліджень. Ми мали завдання узагальнити прогрес і окреслити потенціал пошуку темної матерії. У процесі обговорення з’ясувалося, що для пояснення темної матерії пропонують безліч теорій, а ще більше є ідей для її дослідження, що справило на нас неабияке враження.
Зараз ми переживаємо особливий період у пошуках темної матерії. З 1990-х років тисячі дослідників ретельно шукали частинки, які можуть бути темною матерією. До цього часу вони вже відкинули багато найпростіших, найлегших варіантів. Та все ж більшість фізиків переконані, що темна матерія існує і є якоюсь особливою формою матерії.
Якщо уявити Всесвіт без темної матерії, то ми мали б внести кардинальні зміни до законів гравітації, які базуються на загальній теорії відносності Ейнштейна, як ми їх розуміємо зараз. Змінити теорію таким чином, щоб уникнути необхідності існування темної матерії – або шляхом коригування рівнянь загальної теорії відносності зі збереженням тієї ж самої основи, або шляхом введення нової парадигми, яка повністю замінить загальну теорію відносності, – видається надзвичайно складним завданням.
Такі зміни мали б імітувати ефекти темної матерії в астрофізичних системах, які варіюються від гігантських скупчень галактик до найменших галактик-супутників Чумацького Шляху. Іншими словами, така теорія мала б застосовуватись у величезному діапазоні відстаней і часу, не маючи протиріч при цьому іншим точним вимірюванням, які ми отримали щодо принципів дії гравітації. Ці зміни також мали б пояснити, чому, якщо темна матерія є лише видозміною гравітації, яка універсально властива всій матерії, не всі галактики та скупчення містять цю загадкову субстанцію. Крім того, найскладніші спроби сформулювати самоузгоджені теорії гравітації з відповідними змінами для пояснення темної речовини так чи призводять до необхідності вводити різні типи темної матерії, що узгоджується з флуктуаціями, які ми спостерігаємо у космічному мікрохвильовому фоні, залишках світла після Великого вибуху.
Масштаби проблеми темної матерії одночасно лякають і захоплюють
Натомість припущення щодо нового типу матерії, яка просто не взаємодіє зі світлом, видається лише ідеєю. Насправді ми вже маємо приклад такої темної матерії у вигляді нейтрино – частинок майже без маси, які існують всюди, але рідко взаємодіють з іншою матерією. Однак ми вже знаємо, що існування нейтрино не може пояснити, чому у Всесвіті так багато темної матерії. Щонайбільше, на нейтрино може припадати близько 1 відсотка її обсягу.
Тож як щодо решти 99? Чи може темна матерія виявитися верхівкою айсберга відкриттів, тобто першою знахідкою однієї або кількох нових частинок, які не входять до Стандартної моделі фізики елементарних частинок? Чи притаманні темній матерії нові сили, які не властиві відомим частинкам (так само, як темна матерія, мабуть, не сприймає електромагнітні сили), або чи може вона бути пов’язана з новими фундаментальними принципами природи? Чи може темна матерія розв’язати невирішені загадки, що криються в добре продуманій фізиці Стандартної моделі, або чи може вона пролити світло на найдавніші часи розвитку Всесвіту? Наразі на всі ці питання ми можемо відповісти лише «можливо», але потенціал такого відкриття спонукає нас рухатись далі.
Двома найпопулярнішими теоріями визначення темної матерії є теорія слабко взаємодіючих масивних частинок (weakly interacting massive particle, WIMP) та аксіон квантової хромодинаміки (аксіон КХД). Розвиток цих ідей вплинув на те, як теоретики уявляють темну матерію, і надихнули вчених на безліч експериментів, спрямованих на її пошук.
WIMP – це теоретичні стабільні частинки з масами, співставними з масами частинок у Стандартній моделі. Маса протона становить трохи менше 1 ГеВ/c², і пошук WIMP здебільшого зосереджений на діапазоні мас від 10 до 1000 ГеВ/c². Треба зазначити, що фізики елементарних частинок звикли вимірювати масу в одиницях енергії, тому для цього використовується рівняння E = mc2 Ейнштейна. Класична версія WIMP – це нова частинка, яка напряму взаємодіє з бозонами W і Z, які, як відомо, несуть слабку ядерну силу (звідси «W» у WIMP). Такі частинки природно з’являються в моделях суперсиметрії, де кожна відома частинка також має важчий аналог, який називається суперпартнером. Півтора десятиліття тому спільнота фізиків сподівалася, що Великий адронний колайдер поблизу Женеви знайде суперпартнерів, але нам не пощастило. Якщо суперсиметрія існує, то суперпартнери мають бути важчими, ніж ми очікували раніше. Крім того, хоча багато версій суперсиметрії передбачають утворення темної матерії у вигляді частинок WIMP, зворетнє явище необов’язкове, тобто WIMP можуть існувати навіть у Всесвіті, позбавленому суперсиметрії.
Однією з головних причин, чому багато фізиків люблять ідею WIMP, певно, є те, що ці частинки могли б природним чином згенерувати таку ж кількість темної матерії у Всесвіті, яку ми зараз спостерігаємо. Існує думка, що коли космос був набагато меншим, щільнішим і гарячішим, ніж зараз, навіть слабкої взаємодії було достатньо, щоб при зіткненні відомих частинок утворилися WIMP-частинки. І подібна реакція відбувалася у зворотному напрямку – коли WIMP-частинки зіштовхувалися, вони створювали звичайні частинки. Якби Великий вибух спочатку не створив WIMP-частинки, їх би створили відомі частинки. А зіткнення WIMP-частинок, які трансформували свою енергію у відомі частинки, знищили б більшість WIMP-частинок, утворивши лише залишкову їх кількість. Наприклад, умовний WIMP з масою близькою до маси бозона Хіггса міг би створити потрібну кількість темної матерії у Всесвіті. Цей механізм простий і зрозумілий.
WIMP-частинки цікавлять багатьох дослідників, оскільки вони мають суттєво взаємодіяти з відомими частинками – саме так вони отримують потрібну кількість темної матерії. Існує три класичні способи пошуку WIMP-частинок: експерименти на колайдерах, де ми сподіваємося відтворити умови раннього Всесвіту, зіштовхуючи частинки Стандартної моделі разом, щоб створити темну матерію; експерименти прямого виявлення, де використовуються надзвичайно чутливі детектори для пошуку видимих частинок, які «мають підстрибувати» при зіткненні з частинками темної матерії; і непряме виявлення, коли ми дивимося в космос, щоб знайти знайомі частинки, які утворюються, коли частинки темної матерії зіштовхуються й анігілюють одне з одним. Саме третій підхід, зокрема, перевіряє ті самі руйнівні процеси, які могли б сформувати більшу частину WIMP-частинок у Всесвіті. Отже, якщо ці реакції сьогодні поводяться так само, як і в ранньому Всесвіті, ми можемо точно передбачити, як часто вони відбуваються. Для перших двох підходів прогнози не такі однозначні. В експериментах на колайдері наші можливості виявлення WIMP-частинок залежать від того, наскільки вони важкі: утворення масивніших WIMP може потребувати більше енергії, ніж колайдер може надати. А при прямому виявленні ми не знаємо, як часто WIMP-частинки зіштовхуватимуться зі звичайними частинками.
Астрофізичні спостереження, тобто непряме виявлення, дали нам кілька сигналів, які можуть свідчити про анігіляцію темної матерії, але існують і більш прозаїчні пояснення того, що ми зафіксували. Наприклад, можна згадати надлишок ҐеВ у Галактичному центрі (GCE) – несподіваний надлишок гамма-випромінювання в центрі нашої галактики Чумацький Шлях. Воно має достатню швидкість і енергію, щоб бути сигналом анігіляції WIMP-частинок. Це явище було відкрито у 2009 році, тож чому ми досі не заявили про перемогу над загадкою темної матерії? На жаль, ми знаємо, що певні нейтронні зірки, які активно обертаються, можуть створювати гамма-випромінювання зі схожою енергією, і цілком можливо, що цей надлишок є першою ознакою нової сукупності таких зірок. Ми сподіваємося, що це питання буде розв’явано в найближчі роки: виявлення аналогічного сигналу в експерименті з прямим детектором або на колайдері підтвердить теорію темної матерії, тоді як фіксація випромінювання від нейтронних зірок на інших довжинах хвиль виключить її.
У наступному десятилітті або трохи пізніше майбутні великі гамма-телескопи (такі як Черенковський телескоп, що будується в Чилі та Іспанії, і Південна широкополюсна гамма-обсерваторія, яку планують побудувати десь у Південній Америці) можуть перевірити, чи може теорія WIMP пояснити існування життєздатної темної матерії високих мас. Але навіть якщо ми не будемо спостерігати анігіляцію темної матерії, існують лазівки, які можуть врятувати теорію WIMP. У деяких моделях процес анігіляції, який породжують WIMP-частинки у ранньому Всесвіті, починає активізуватися лише на пізніших стадіях. У цих випадках, ми все ж маємо знайти WIMP в експериментах на колайдері та при прямому виявленні.
Але якщо поставити собі питання «Якою може бути темна матерія?», то відповідей на нього буде безліч
Експерименти з прямого виявлення продемонстрували дивовижний прогрес, адже чутливість обладнання для виявлення рідкісних явищ зросла в рази. Протягом 10 років наступне покоління приладів може стати настільки чутливим, що почне виявляти нейтрино від Сонця, які проходять крізь детектор. Поки ми не досягнемо такого результату, не існує інших процесів, які могли б замаскуватися під темну матерію, і жодні, здавалося б, нездоланні технічні виклики не стануть нам у цьому на заваді. Є ще багато простих моделей WIMP, які можуть підтвердитися в цьому діапазоні.
Аксіон квантової хромодинаміки (КХД) – це зовсім інший тип моделі темної матерії, і донедавна ми не мали можливості перевірити цю теорію. Як і WIMP, цей аксіон має бути новою фундаментальною частинкою, але набагато крихітнішою: аксіони набагато легші за будь-яку відому частинку, навіть за нейтрино. Якщо ці частинки існують – незалежно від того, чи складають вони всю темну матерію, чи ні – вони могли б допомогти розв’язати давні суперечки в нашому розумінні сильного тяжіння, яке утримує атомні ядра. Крім того, теорії аксіонів дають чіткі прогнози: якщо ви знаєте масу аксіона, ви можете оцінити, наскільки сильно він взаємодіє з відомими частинками. На жаль, ці взаємодії залежать від маси аксіона і можуть бути надзвичайно слабкими для легких аксіонів.
Однак взаємодія аксіонів може мати вражаючі ефекти, оскільки для пояснення темної матерії їх у Всесвіті має бути так багато, що вони будуть діяти як хвилі, а не як окремі частинки. Згідно з квантовою механікою, кожна фундаментальна частинка також є хвилею і має довжину хвилі, обернено пропорційну її масі. На масштабах, менших за цю довжину хвилі, класична картина частинки руйнується. Аксіони настільки легкі, що ми могли б очікувати побачити такі квантові ефекти на відстанях, співставних із типовим масштабом експериментів, які ми проводимо на Землі.
Оскільки очікується, що аксіони КХД слабко взаємодіють зі звичайною матерією, проводилося менше експериментів з їх пошуку, і в них вчені досліджували лише крихітну частку можливого діапазону мас. Однак нові стратегії виявлення і технології квантових сенсорів відкрили перспективи для полювання на аксіони КХД з масою на багато порядків більшою за типову. Найновіша частина довготривалого експерименту під назвою ADMX-G2 демонструє, що нове обладнання має надзвичайну чутливість, а майбутні проекти, такі як DMRadio, обіцяють значно розширити можливості пошуку.
Масштабні експерименти протягом наступного десятиліття дадуть змогу вперше перевірити як WIMP-частинки, так і аксіон КХД на більшій частині їхнього природного діапазону мас. Теоретичне підґрунтя вже закладено, і плани на дослідження складені. На цьому можна було б зупинитись – є велика ймовірність, що ці стратегії дадуть нам рішення.
І все ж… навіть якщо WIMP і аксіон є прекрасними ідеями, немає ніякої гарантії, що Всесвіт відповідає нашим естетичним уподобанням. Якщо ми запитаємо: «Якою може бути темна матерія?», то варіанти відповіді практично нескінченні.
Цілому спектру теорій вдається описати все, чим має бути темна матерія для пояснення світобудови, але кожна з них посилається на різні частинки та сили, щоб організувати фізичні процеси, що відбуваються в ній. Теоретики ретельно вивчили, які ідеї можуть спрацювати, а які не узгоджуються зі спостереженнями. Багато із цих гіпотез напрочуд відрізняються від теорій WIMP або аксіонів. Деякі з них, наприклад, передбачають існування масивних агрегатних структур, що складаються з безлічі дрібніших складових – подібно до атомів темної матерії, що складаються з різних темних частинок.
Існує обмеження на те, наскільки малими можуть бути частинки темної матерії. Якби вони були набагато легшими за аксіони – приблизно на 25 порядків легшими за масу електрона – їхні довжини хвиль були б близькими до розмірів хвиль від зоряних скупчень або малих галактик. Якби це було так, розподіл темної матерії та її гравітаційний слід мали б суттєво відрізнятися.
А як щодо іншого кінця шкали мас? Найменші скупчення темної матерії, які ми можемо спостерігати напряму, в десятки мільйонів разів перевищують масу Сонця. Окремі частинки темної матерії мають бути меншими, але наскільки? Якби темна матерія складалася з щільних темних об’єктів – їх часто називають масивними компактними гало-об’єктами (massive compact halo object, MACHO, на противагу WIMP), – то їхня гравітація могла б викривляти світло і порушувати орбіти, коли такі структури проносилися б крізь галактику видимими для нас шляхами. MACHO можуть мати форму крихітних чорних дір, що народилися в перші миті після Великого вибуху. Ці чорні діри не могли утворитися із зірок – адже темна матерія передує зіркам – і могли бути набагато легшими за Сонце. Єдиний спосіб, яким ці чорні діри могли б пояснити всю темну матерію, – це якщо б вони мали приблизно таку ж масу, як астероїди в нашій Сонячній системі, приблизно від 100 мільярдів до 100 000 трильйонів метричних тонн. Тоді їхня окрема маса становила б одну тисячну маси Місяця, що робить їх на 75 порядків важчими за найменші можливі частинки темної матерії. Для порівняння треба зазначити, що співвідношення між радіусом нашого спостережуваного Всесвіту і радіусом протона становить лише близько 41 порядку. Це досить великий діапазон для досліджень.
І у величезній області між цими двома крайнощами ми маємо безліч варіантів. Процес, який міг створити WIMP-частинки в ранньому Всесвіті, міг би працювати і для багатьох інших частинок. Якби темна матерія була легшою за протон і виникла за цим механізмом, вона могла б бути лише однією з багатьох нових частинок, що мешкають у «темному секторі» фізики. Ці інші частинки, як правило, були б нестабільними, тому їх було б дуже мало у космосі. Проте вони можуть з’явитися у прискорювачах частинок, особливо якщо вони також відносно легкі. Легка темна матерія і темні сектори могли б також існувати, не спираючись на механізм WIMP для створення потрібної кількості темної матерії. Існує безліч інших можливостей для формування великої кількості темної матерії, яку можна спостерігати у Всесвіті.
Якщо темний сектор існує, нам потрібні нові експериментальні методи, щоб його виявити. Наприклад, класичні детектори WIMP втрачають чутливість, коли темна матерія стає набагато легшою за атомні ядра, оскільки вони шукають сильний «поштовх» ядер від темної матерії. Натомість нові технології можуть шукати ознаки поштовхів електронів (які в 2000 разів легші за протони) або використовувати ще більш креативні стратегії для виявлення крихітних передач енергії від темної матерії до стандартних частинок. Допомогти в цьому може нещодавня розробка надчутливих квантових сенсорів.
Єдиний відомий нам метод пошуку в такому широкому діапазоні варіантів – це проведення багатьох невеликих експериментів, кожен з яких перевіряє реакцію на різні типи темної матерії, замість того, щоб зосереджувати наші ресурси на кількох величезних проєктах. Також ми можемо використовувати ці невеликі експерименти для розробки нових технологій і випробування нових ідей. Якщо одна із цих стратегій виявиться ефективною або дасть змогу знайти щось, що може бути інтерпретувати як ознаку темної матерії, ми зможемо масштабувати цю стратегію.
Дослідження непрямого виявлення в космосі вже охоплюють широкий діапазон енергій. Якби темна матерія повільно розпадалася на видимі частинки з типовим часом життя, що в мільярд разів перевищує нинішній вік Всесвіту, ми б уже виявили її в тих багатьох діапазонах мас, які перевірялися. Наприклад, ми можемо досліджувати первісні чорні діри за допомогою такого аналізу. Так ми знаємо, що якщо вся темна матерія складається із чорних дір, тобто вони не можуть бути легшими за 100 мільярдів метричних тонн (легші чорні діри розпадаються швидше).
І навіть якщо ми не отримаємо сигнал, ми продовжимо дізнаватися більше про темну матерію, складаючи карту її гравітації в просторі. Сучасні та майбутні інструменти вимірюватимуть розташування зірок і далеких галактик із фантастичною точністю і глибиною. Розвиток точної космології та штучного інтелекту стимулює вдосконалення методів, які допомагають отримувати із цих даних максимум інформації. Такі спостереження можуть трохи привідкрити завісу над фундаментальною природою темної матерії, що доповнить ті дані, які ми можемо отримати в лабораторіях.
Після всіх обговорень у рамках проєкту «Сноумасс» фізична спільнота вирішила обрати збалансовану стратегію. Ми плануємо заглибитися в наші улюблені теорії темної матерії, водночас проводячи широкі пошуки (на більш дрібному рівні), щоб дослідити якомога більше варіантів.
Якщо нам пощастить, один із цих експериментів дасть однозначний результат. Як тільки це станеться, це викличе зміну парадигми. Широкий і різнобічний науковий пошук зосередиться на цьому сигналі, і ми будемо розробляти плани майбутніх експериментів, щоб краще його дослідити. Таке відкриття також підштовхне теоретиків до аналізу ширшої картини того, як пов’язати темну матерію з рештою знайомого нам зоопарку частинок.
Але що, якщо жоден із цих експериментів не виявить сигналу? Можливо, фізикам на наступному етапі проєкту «Сноумасс», який відбудеться приблизно через десять років, доведеться спиратися на негативний результат, щоб намітити напрямок майбутніх пошуків. Ми не можемо приховувати, що такий варіант розвитку подій буде розчаровувати, але це все одно буде вважатися великим досягненням. Наука рухається вперед крок за кроком, і результати, які вчать нас, де не варто шукати наступних відкриттів, так само важливі, як і ті, що підтверджують правильність певної ідеї. Якби ми могли з упевненістю передбачити, якою виявиться темна матерія, це означало б, що ми вже знаємо відповідь, і від того наша робота стала б набагато менш цікавою. І хоча ми не можемо точно сказати, коли ми знайдемо темну матерію, та більше сам факт виявлення темної матерії ми не можемо гарантувати, але точно можемо сказати, що Всесвіт наповнений нею. Ми сповнені оптимізму, що наступні роки наших пошуків допоможуть нам глибше зрозуміти, що це за субстанція.