Темную материю ищут на Земле, под землей и в космосе. Ее таинственные частицы невидимы для научных инструментов и нигде себя не проявляют. Однако в пользу их существования собрана солидная "доказательная база".
Ключевой компонент Вселенной
Частицы темной материи родились вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная представляла собой раскаленную плазму. По мере остывания они образовывали сгустки, обеспечившие в итоге возникновение звезд и галактик. Если бы в плазме были только обычные частицы, из которых состоят атомы, то излучение отталкивало бы их друг от друга, не позволяя формировать никакие структуры. Гравитационно связанные объекты появились достаточно быстро, значит, что-то им помогало. Некое массивное вещество удерживало их. Сейчас оно никак не взаимодействует с обычным веществом, не излучает, поэтому мы его не наблюдаем никакими методами.
Примерно так ученые реконструируют эволюцию Вселенной, которая без участия темной материи была бы неполна. К такому выводу пришел еще в 1930-е годы швейцарский астроном Фриц Цвикки. Изучая скопления галактик, он задался вопросом, почему они не разлетаются. Ведь массы видимых галактик не хватает, чтобы удержать скопление. Значит, должна быть скрытая масса. Позже эта гипотеза обрела многочисленные подтверждения по аномалиям скоростей вращения галактик: удаленные от центра части дисков почти не замедляются, как было бы, если бы они состояли только из звезд.
Косвенно уловить присутствие скрытой массы позволяет гравитационное линзирование. Этот эффект создают две массивные галактики, расположенные друг за другом. Свет от дальней галактики искривляется гравитационным полем ближней, и, как в линзе, возникает ее образ. Это дает некоторое представление о темной материи в галактиках, формирующей вокруг них огромное невидимое гало. Используя различные модели, ученые вычисляют распределение плотности темного вещества в гало и на этом основании строят догадки о структуре.
Состав темной материи
Физики склоняются к тому, что темная материя состоит из неизвестных нам частиц.
"Астрофизические методы наблюдений ничего не говорят об их свойствах. Не исключено, что они никак не взаимодействуют, кроме гравитационного способа. Может быть, ни прямые эксперименты на Земле, ни наблюдения в космосе ни к чему не приведут. Это надо иметь в виду всегда", — рассказывает РИА Новости Дмитрий Горбунов, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН.
Среди кандидатов на роль темных частиц — сверхлегкие аксионы, слабовзаимодействующие частицы (WIMP), стерильное нейтрино, которое помогает объяснить наличие массы и осцилляции у солнечных нейтрино.
"Легчайшее стерильное нейтрино вполне может быть частицей темной материи. Оно не стабильно, но очень долго живет. В Галактике такие частицы должны распадаться на нейтрино и фотон. Они медленно крутятся (10-3 от скорости света), поэтому в спектре фотонов ожидается пик в области рентгеновских лучей", — говорит ученый.
По его словам, на орбиту нужно отправить хороший спектрометр, чтобы попытаться зарегистрировать такие события.
Два года назад Горбунов с коллегами смоделировал одну из гипотез о нестабильном компоненте темной материи, чтобы объяснить расхождение в результатах эксперимента космического телескопа Planck, измерявшего реликтовое излучение. Возможно, это была ошибка, а возможно — указание на какое-то свойство темной материи. Ученые предположили, что темное вещество по составу неоднородно и часть его не дожила до сегодняшнего дня.
В поисках темных частиц
Как уловить частицы темной материи — один из ключевых вопросов физики. Множество теоретиков и экспериментаторов пытаются ответить на него. Способ наблюдения зависит от модели, в которую закладываются все свойства гипотетической частицы. Если предположить, что темная материя находилась в равновесии в плазме ранней Вселенной — а там были и обычные частицы, — значит, все-таки она как-то с ними взаимодействует. Из всех известных видов взаимодействий, кроме гравитационного, наиболее подходящее — слабое, которое происходит при бета-распаде атомного ядра.
"При таком предположении после остывания первичной плазмы остается нужное количество темной материи", — объясняет Дмитрий Горбунов.
Исходя из этого, темные частицы могут уничтожаться с образованием электрона и позитрона. Следы этих аннигиляций ищут, но это в любом случае косвенное доказательство. Кроме того, результаты довольно нечеткие, частицы отклоняются, летая по Галактике, аннигилируют, теряют энергию, и то, что долетает до Земли, сложно выделить на фоне космических лучей.
Наблюдать темные частицы напрямую пытаются в подземных детекторах, регистрирующих нейтрино. Под землей снижается фон от атмосферных частиц, вещество детектора охлаждается, и нужно ждать, когда в него врежется частица темной материи. Эти события сами по себе редкие, поскольку частица если и взаимодействует, то слабо. Удар вызывает возбуждение атома и всплеск энергии, который фиксируется детектором.
При этом бесконечно увеличивать объем вещества детектора, чтобы повысить вероятность пролета темных частиц, нельзя без потери чувствительности. Кроме того, в сигнал вмешивается нейтрино. Чтобы его отсечь, возможно, придется строить совершенно новый детектор, чтобы спуститься ниже этого сигнала.
"Нужно использовать детектирование направления удара частицы. Это существенно подавит фон, потому что нейтрино летят направленно от Солнца, а темное вещество будет ударять в других направлениях", — уточняет ученый.
Третье направление — рождение частицы темной материи в результате столкновения обычных частиц на БАК и других ускорителях. Для наблюдателя это будет выглядеть как, например, фотон, улетевший в сторону. По закону сохранения импульса, в другую сторону тоже должна вылететь частица, но ее нет. Значит, она невидимая.
Пока ни одним из способов поймать частицы темной материи не удалось. Непонятно даже, какой из них наиболее перспективен.
По информации https://ria.ru/science/20180822/1526958626.html
Обозрение "Terra & Comp".
