50 оттенков темного

Датская пословица гласит: «Если чайка летит попой вперед, значит, дует сильный ветер». Народ, подаривший миру Нильса Бора, интуитивно ухватил главную идею современного естествознания: если кажущуюся гармонию мира нарушает какая-то мелкая нелепость, скорее всего, существует общая причина, которая объяснит самым естественным образом как эту нелепость, так и заодно весь остальной набор привычных явлений. Гармония мироздания восстановится, но уже на новых базовых предпосылках.

Именно на этом принципе построена практически вся современная теоретическая физика, ибо чаек, летящих попой вперед, наблюдается вокруг довольно много, и объяснить их всех разом — очень заманчивый способ познания мира.

Одна из таких птичек получила название «темной материи». Странного в ней вот что: ее очень много, почти 80% всей массы Вселенной, но что она такое, никто не знает (мы, впрочем, об этом уже как-то писали). Всякие протоны-нейтроны-электроны, про которые в школе учат, что из них все состоит, без этой самой темной материи не способны были бы создать ничего путного, потому что темная материя — та самая масса, вокруг которой собираются галактики. И при этом так получается, что мы ее никак не можем заметить. Ну кроме как по одной летящей задом наперед чайке: мы сами живем в галактике, видимой массы которой ни за что бы не хватило, чтобы удержать вместе все составляющие ее звезды, пыль, газ и прочую привычную чепуху, — и это такая странность, которую непременно надо объяснить.

Объяснить тут придется следующие вещи: 1) откуда эта материя взялась? 2) почему сейчас ее ровно столько, сколько ее есть, то есть 4/5 всей массы Вселенной? 3) почему мы ее не замечаем и как все-таки ее можно заметить? и 4) почему Вселенная, состоящая на 4/5 из этой непонятной ерунды, выглядит именно так, как выглядит — например, с галактиками именно такого размера, а не в 1000 раз меньше или в 1000 раз больше, или вообще без галактик, а с гигантскими соплями, развешанными в правильном геометрическом порядке?

Доныне главным кандидатом на роль темной материи считались выдуманные физиками «слабовзаимодействующие массивные частицы», или WIMP. Чтобы все сошлось, физики сказали, что эти частицы должны быть тяжелыми (до 1000 масс протона) и взаимодействовать друг с другом посредством «слабого» взаимодействия. Возникать они могут на ранней стадии развития Вселенной: когда Вселенная горячая, энергии в ней много, все ударяется друг о друга с огромной силой и могут рождаться частицы любой массы, даже очень большой. Дальше, когда Вселенная чуть-чуть остынет, такие частицы уже не будут возникать, зато они будут летать вокруг, время от времени врезаться друг в друга и аннигилировать с образованием двух обычных частиц материи. Расчет показывает, что к нашей скучной эпохе количество этих частиц как раз должно бы составить 4/5 массы Вселенной — это замечательное совпадение получило название «чуда WIMP».

Беда в том, что никаких WIMPов найти пока не удалось. Когда на бумаге все хорошо, а в эксперименте ничего не получается — это тоже пример чайки, летящей вперед попой, и нуждается в объяснении.

И вот четверо теоретиков — Йонит Хохберг и Джей Уакер из Калифорнии, плюс Эрик Куфлик и Томер Волански из Израиля — придумали, в чем могла бы быть загвоздка. А придумав, написали про это статью в Physical Review Letters.

Вместо воображаемых WIMPов они придумали столь же воображаемые SIMPы — «сильновзаимодействующие массивные частицы». Собственно, не такие уж и массивные, даже легче протона. Но при этом взаимодействуют они между собой не слабым, а сильным взаимодействием, как частицы внутри обычных атомных ядер.

Эти штуки по-прежнему должны аннигилировать с образованием обычных частиц. Но, кроме этого, они будут убивать себя следующим экзотическим манером: при столкновении трех таких частиц будут образовываться две (погорячее). Избыток жара они отдадут обычной материи при взаимодействии с ней, причем для этого им достаточно взаимодействовать с обычной материей совсем чуть-чуть, куда слабее, чем WIMPам.

Наши теоретики из Израиля и диаспоры утверждают, что им удалось воспроизвести «чудо» — на выходе они получили те самые 4/5 массы Вселенной, которые получались в гипотезе WIMP. Но есть и другое чудо. Дело в том, что для слабовзаимодействующих толстячков никак не удавалось смоделировать их самосборку в комки, вокруг которых могут образовываться галактики. Комки получались слишком мелкие и слишком плотные, ну нет у нас вокруг таких галактик. Чтобы собраться в нормальные крупные комья, разгладив мелкие неровности, WIMPам не хватало силы взаимодействия между собой. Ну так вот, у наших новых героев, поскольку они посильнее, эта проблема решилась легко и просто. Причем Хохберг и его соавторы никак не вносили это свойство в первоначальную модель: чудо галактик правильного размера получилось из их расчетов как-то само собой.

Из чего состоит темная материя на самом деле, заключить из всего этого пока невозможно. Однако наши теоретики предупреждают, что эксперименты по обнаружению новых — пока воображаемых — частиц должны строиться совершенно по-другому. Запросто может быть, что физики-экспериментаторы, вдохновившись этой моделью, уже через пару лет поймают первый SIMP, развеют тайну темной материи, принесут Нобелевку авторам цитированной работы, а заодно заложат фундамент новой невиданной физики.

Или не поймают и не заложат. Но, чтобы развитие науки не застало нас врасплох, нам приходится следить за всеми этими пертурбациями человеческой мысли, как бы мало мы ни понимали, о чем, собственно, тут идет речь. Для лучшего понимания адресуем вас к статье в Science, где написано то же самое, но по-английски и слегка подробнее.