Подземные повелители тёмных сил

В Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) сообщают о намерении использовать семикилометровый ускоритель для поиска тёмных фотонов — аналога обычных фотонов света, но только отражающихся от тёмной материи и пролетающих через обычную. Звучит достаточно сомнительно — ведь тёмная материя на то и тёмная, что никаких причин подозревать существование для неё какого-то света нет. Однако, по большому счёту, новый эксперимент вызван не любопытством. Во многом у современной физики просто нет другого выхода, кроме активного поиска таких странных частиц. 

Как мы узнали, что в тёмной комнате бродят стада тёмных кошек

В конце 1990-х сумма наблюдений за далёкими галактиками привела к выводу, что Вселенная примерно на шесть седьмых состоит из тёмной материи и тёмной энергии. Обнаружить их удалось потому, что тёмная материя своим тяготением буквально раскручивает диски галактик вроде нашего Млечного Пути, придавая тому же Солнцу неестественно большую скорость вращения вокруг ядра галактики. А тёмная энергия усиленно расталкивает Вселенную во все стороны — что отражается на том, какую яркость для наших телескопов имеют сверхновые типа Ia.

Оба явления, по сути, пока остаются предположениями, хотя и практически общепринятыми. Что-то просто должно было расталкивать Вселенную во все стороны и подкручивать обороты галактикам — что-то, чего мы не видим. А это значит, что тёмная материя и энергия не участвуют в электромагнитном воздействии, не отражают световые волны. На тела из обычной материи вроде нас и нашей планеты может действовать только гравитация от такой тёмной материи, ну и немного — частицы, образующиеся при её распаде.

Поиск этого "чего-то" стал настоящей головной болью физиков-экспериментаторов. Всего четверть века назад им казалось, что известны уже почти все частицы мироздания — осталось немного, осталось ещё чуть-чуть. Астрономические наблюдения конца 1990-х буквально отправили их в первую половину XX века. Выяснилось, что на 85% всё вокруг состоит неизвестно из чего, и это "неизвестно что", весьма вероятно, сильно влияет на нашу жизнь. Российские физики вполне серьёзно считают, что распады тёмных частиц могут вызывать рак у населения Земли. Определённо стоит выяснить, так это или нет — и заодно узнать, из чего же в основном состоит Вселенная.

Вместо одной кошки — целый зоопарк?

Тут же возникли сложности. Стандартные методы поиска, применявшиеся физиками для обнаружения частиц обычной материи, с тёмной решительно забуксовали. На "светлой стороне" учёные открыли даже бозон Хиггса — очень непростую для наблюдения частицу. А вот с тёмными частицами за много лет поисков на ускорителях и детекторах пока "не срослось".

Их искали в виде так называемых вимпов — массивных слабо взаимодействующих частиц, которые должны иногда распадаться. При распаде они должны образовать каскад распадов иных частиц, в том числе доступных для наблюдения. А значит, отслеживая такие случайные распады, можно понять, что за вимп её породил. Чтобы найти подобные следы, использовались ядерные детекторы, хорошо защищённые от внешнего фона — размещённые под землёй, чтобы защититься от столкновений с космическими лучами. Однако масса экспериментов (в том числе LUX и   SuperCDMS) никаких вимпов пока не нашли. Стали раздаваться вопросы — а там ли мы ищем? Раздались даже голоса скептиков, утверждающих, что никакой тёмной материи нет, и призывающих к пересмотру и модификациям базовых физических положений.

В этот момент резко подскочила популярность возникшей в 2008 году гипотезы, что тёмная материя состоит не из одной частицы, а из многих. В конце концов, видимая часть мира населена целым "зоопарком" из элементарных частиц. Почему тёмная часть мироздания должна быть исключением? Исходя из этой гипотезы была высказана идея, что для тёмного сектора существуют и свои собственные, тёмные фотоны. По мысли части физиков, это аналоги обычного фотона, также являющиеся переносчиком фундаментального взаимодействия — но не одного из известных нам четырёх, а совершенно нового.

Первые же прикидки показали, что тёмные фотоны могут смешиваться с обычными фотонами. Если два типа частиц в системе близки по энергии и импульсу, то между ними происходит смешивание, вследствие чего их свойства слегка изменяются. Значит, после смешивания с тёмными фотонами обычные могут как-то влиять на взаимодействие уже известных нам частиц. Более того, наблюдения вроде бы даже указали на возможные следы такого влияния — аномальный магнитный момент, обнаруженный у ряда обычных, "светлых" элементарных частиц. 

Держите гроссмейстера

В ходе эксперимента NA64 для поиска тёмных фотонов используется довольно простая и отработанная на обычных элементарных частицах схема. Мощный ускоритель (на видео ниже) будет разгонять электроны до определённых энергий, после чего они начнут систематически врезаться в пластинку детектора. Атомы вещества детектора под обстрелом высокоэнергетических электронов начнут испускать обычные фотоны — попросту говоря, светиться в разных диапазонах. 

Энергию, которую унесут с собой порождённые бомбардировкой фотоны, физики легко могут точно рассчитать. Но если среди "светлых" фотонов действительно существуют тёмные, они неизбежно унесут часть энергии от "обстрела" с собой. Стенки детектора их не остановят, ведь тёмные фотоны не отражаются обычной материей. А значит, спектр светлых фотонов заметно изменится, они будут "тусклее", менее "энергичными".

Поиск новых частиц по "утечкам энергии" — давний метод. Ещё до Второй мировой войны так была найдена утечка при бета-распаде, в результате чего удалось открыть нейтрино. Иными способами сделать это не удалось бы — детекторы, способные поймать эту неуловимую частицу, появились лишь во второй половине прошлого столетия. По сути, это предельно чувствительный метод, в котором можно обнаружить бегство даже тех частиц, что мы пока вовсе не умеем улавливать. Именно это и нужно в случае тёмных фотонов.

Из изложенного выше легко понять, почему данная тема предельно интересна не только для физиков, но и для всех нас. Обычные методы прямого обнаружения тёмной материи пока принесли лишь печальные результаты. Нужны новые методы — и тёмный фотон выглядит одним из лучших среди них. Главное — открыв тёмные фотоны, мы можем надеяться даже взаимодействовать с тёмной материей, поставить в отношении неё эксперименты и наконец приоткрыть, как устроен мир в невидимом для нас напрямую секторе.

Всё это любопытство не назвать праздным. Если тёмная материя действительно больше обычной, она должна влиять на нас не только как гипотетическая причина рака, но и глобально. Уже давно выдвигаются предположения, что диск из тёмной материи, находящийся в нашей галактике, периодически возмущает кометы и астероиды Солнечной системы, что, как считается, не раз "зачистило" биосферу нашей планеты.