Пол Хэлперн - Коллайдер
Есть и другие причины полагать, почему мачо-объекты не могут дать окончательный ответ на загадку темной материи. В астрофизических моделях нуклеосинтеза (образования химических элементов), зная, в каком количестве сегодня присутствует тот или иной элемент в космосе, можно рассчитать, сколько протонов содержала Вселенная в первые моменты после Большого взрыва. А это дает возможность оценить долю барионного вещества во Вселенной. К сожалению, расчеты показывают, что только часть темной материи имеет барионную природу, остальное находится в какой-то другой форме. Поскольку мачо-объекты, состоящие из знакомых нам барионов, не подошли на роль панацеи, ученые обратили свой взор на других кандидатов.
Неслучайно мачо-объекты наградили столь брутальным названием: тем самым их хотели противопоставить другому классу тел, предложенных для объяснения темной материи, - неуловимым «вимпам» (WIMP - слово, образованное от англ. Weakly Interacting Massive Particles - «слабовзаимодействующие массивные частицы»). В отличие от «мачо», «вимпы» - это не небесные тела, а новый тип массивных частиц, которые участвуют только в слабых и гравитационных взаимодействиях. Раз они тяжелые, «вимпы» должны обладать небольшими скоростями, что делает их превосходным гравитационным «клеем»: они не дают распасться гигантским структурам, наблюдаемым в космосе, таким как галактики и скопления галактик.
Нейтрино можно было бы не сбрасывать со счетов, будь они тяжелее и усидчивей. Ведь они, как и положено лептонам, обходят стороной сильные процессы, и, как всем нейтральным частицам, им не страшен электромагнетизм. Однако ничтожная масса и непоседливость нейтрино заставляют исключить их из рассмотрения. За их юркость нейтрино можно уподобить поверхностному политику, который то и дело совершает вылазки в разные округа, стремясь привлечь на свою сторону электорат перед выборами в городской совет. Разве захотят люди объединяться вокруг человека, который не в состоянии осесть на одном месте и завоевать твердую поддержку? Так и нейтрино, которые нигде подолгу не задерживаются и мало на что влияют, вряд ли подходят на роль объединяющего стержня.
Нейтриноподобные частицы - слишком легкие и быстрые, чтобы образовывать структуры, - получили название горячей темной материи. Хотя скрытая масса во Вселенной в какой-то степени может состоять из них, с их помощью нельзя объяснить, почему звезды во внешних областях галактик держатся за свой родной «остров» так крепко и почему сами галактики собираются в скопления. Более грузное вещество, отличающееся размеренным шагом, в том числе «мачо» и «вимпы», относятся к классу холодной темной материи. Если бы нам удалось достаточно ее наскрести, мы бы знали, из чего сделаны космические подпорки.
Но если не нейтрино, то какие нейтральные частицы неадронного происхождения обладают значительной массой и могут летать настолько медленно, чтобы оказывать влияние на звезды и галактики? Как ни прискорбно, но в Стандартной модели такие в дефиците. Помимо нейтрино, «мачо» и «вимпов» на роль темной материи претендует, и, как считают некоторые теоретики, небезосновательно, аксион. Эта массивная частица вводится в квантовой хромодинамике (теории сильных взаимодействий), но до сих пор экспериментально не обнаружена. На данный момент поиски скрытой массы во Вселенной зашли в тупик.
Самое время попросить помощи у БАК. Возможно, в осколках столкновений на ускорителе будет крыться разгадка тайны холодной темной материи. Первыми в списке претендентов идут легчайшие суперсимметричные партнеры: нейтралино, чарджино, глюино, фотино, скварки, слептоны и некоторые другие. Если их масса (в энергетических единицах) не сильно отличается от тераэлектронвольта, их нетрудно будет заметить по характерным распадам, проявляющимся в калориметрах и системах слежения.
Но если бы темная материя была единственной вселенской загадкой, физики бы прикусили язык, скрестили пальцы и сидели бы тихонько ждали, пока БАК или какой-нибудь еще прибор выдаст подходящие результаты. Это как вывесить объявление о работе и спокойно ожидать, когда на собеседование придет квалифицированный специалист. На горизонте, однако, появился орешек покрепче, уже успевший доставить ученым хлопот. Речь идет о темной энергии. Мало того, что они не знают, что именно от них скрывается, они даже не представляют, где искать.
Впервые научное сообщество лицом к лицу столкнулось с темной энергией в 1998 г.[27] Тогда две группы астрономов - научный коллектив из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли под началом Сола Перлмуттера и наблюдатели обсерватории на горе Стромло (в их числе Адам Рисс, Роберт Киршнер и Брайан Шмидт) - огласили потрясающую новость о расширении Вселенной. Чтобы проследить, как космос расширялся в прошлом, исследователи измеряли расстояния до сверхновых в далеких галактиках. Отложив на одном графике эти расстояния в зависимости от скоростей галактик, найденных по доплеровскому смещению спектральных линий, астрономы смогли определить, как параметр Хаббла, характеризующий скорость удаления, менялся на протяжении миллиардов лет.
Использованные в наблюдениях звезды, так называемые сверхновые типа 1а, обладают замечательным свойством: в интенсивности энергии, излучаемой ими во время взрыва, прослеживаются определенные закономерности. Благодаря столь предсказуемому поведению упомянутым группам удалось посчитать расстояния до звезд, сравнивая наблюдаемую яркость с известным значением. Другими словами, астрономам досталась своего рода рулетка, с помощью которой можно «достать» до звезд, находящихся за миллиарды световых лет от нас, то есть взорвавшихся давно в прошлом.
Астрономический объект с известной абсолютной светимостью называется стандартной свечой. Когда мы едем ночью на автомобиле и смотрим на придорожные фонари, мы можем прикинуть расстояние до того или иного фонаря по тому, кажется ли он нам ярким или тусклым. Если, конечно, предположить, что все они выдают одну и ту же мощность. Приключись так, что во время ночной прогулки вам в глаза ударила яркая вспышка, вы, скорее всего, решили бы, что ее источник около вас. А про едва различимый свет невольно думаешь, что он где-то далеко. Одним словом, мы часто оцениваем расстояние по видимой яркости источника света. Так и астрономы, приняв какой-нибудь объект, например сверхновую типа 1а, за стандартную свечу, получают в свое распоряжение едва ли не единственный инструмент для измерения больших расстояний.
Научный коллектив Перлмутгера, воплощавший проект SCP («Космология со сверхновыми»), имеет непосредственное отношение к физике элементарных частиц. Начнем с того, что эта программа, как и исследования реликтового излучения на спутнике СОВЕ, принесшие Джорджу Смуту Нобелевскую премию, продолжает традиции лаборатории Лоуренса. Такой широкий взгляд на вещи полностью в духе руководителя «Рэд Лаба», который повсюду искал взаимосвязи и пробовал применять методы одной области науки в другой. Кроме того, один из инициаторов проекта SCP, Джерсон Голдхабер, являющийся, по всеобщему признанию, знатной фигурой в истории Стэнфордской лаборатории линейного ускорителя, возглавлял группу, которая открыла частицу J/ψ. Его старший брат Морис Голдхабер работал в Кавендишской лаборатории во времена Резерфорда и Чэдвика, а потом в течение многих лет занимал пост директора Национальной лаборатории в Брукхейвене. Можно сказать, что космология и физика элементарных частиц - науки о самом большом и самом малом - давно породнились.
Когда стартовала программа SCP, ее участники надеялись, взяв сверхновые за стандартные свечи, убедиться в замедлении Вселенной. Сила тяготения, казалось бы, по самой своей природе стремится задержать разбегание любой системы массивных тел, удаляющихся друг от друга. Проще говоря, подброшенное вверх падает вниз, ну или как минимум замедляется. Космологи поэтому предвидели три возможных пути космической эволюции. В зависимости от соотношения между средней и критической плотностью Вселенной она либо довольно быстро замедляется, и расширение сменяется сжатием, либо замедляется не очень сильно, и точка останова не достигается, либо, при равенстве двух плотностей, пребывает в граничном состоянии и тоже расширяется бесконечно долго.
Все три сценария начинаются с обыкновенного Большого взрыва. Если Вселенная достаточно плотная, она постепенно тормозится, и наконец через миллиарды лет расширение сменяется сжатием. Все сущее, в итоге, перемалывается в Большой мясорубке. Если же плотность ниже критического значения, расширение Вселенной продолжается, замедляясь, бесконечно долго - космос преодолевает дистанцию через силу, как выдохшийся бегун. Хотя разлет галактик становится все более вялым, у них никогда не хватит смелости побежать навстречу друг дружке. Эту альтернативу иногда называют Большим стоном. Третья возможность: средняя плотность в точности равна критической. В этом случае Вселенная тормозится и, того и гляди, вот-вот начнет сжиматься, но этого не происходит. Она, как опытный канатоходец, с легкостью держит равновесие.
