Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| E = mc
2 ) реликтовая плотность на се- годня, то есть доля энергии, которая должна была бы приходиться во Вселенной на эти частицы по расчету, примерно соответствует тому, что должно быть для темной материи. Логика здесь примерно следующая. По мере развития Вселен- ной температура в ней падала. Тяжелые частицы, которых в горя- чей Вселенной было множество, в более поздней и более холод- ной Вселенной оказались сильно рассеяны, потому что при более низких температурах на их создание просто не хватает энергии. Как только температура упала в достаточной мере, тяжелые части- цы постепенно аннигилировали с тяжелыми античастицами, так что исчезали и те и другие, а вот процесс рождения тех и других почти прекратился. Из-за аннигиляции по мере остывания Вселен- ной численная плотность тяжелых частиц падала очень быстро. Разумеется, чтобы аннигилировать, частицы и античастицы должны сначала встретиться*, но с уменьшением их числа и ро- * Некоторые частицы темной материи совпадают со своими античастицами. В этом случае они должны встретиться с другими такими же частицами. — Прим. авт. 464 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ стом рассеяния вероятность такой встречи тоже многократно уменьшилась. Вследствие этого частицы на поздней стадии эво- люции Вселенной аннигилировали намного менее эффективно. В результате на сегодняшний день во Вселенной могло остать- ся значительно больше стабильных частиц с массой масштаба слабого взаимодействия, чем позволило бы предположить наив- ное применение законов термодинамики; в какой-то момент частицы и античастицы настолько разбрелись по пространству, что просто не могут встретиться и уничтожить друг друга. Сколь- ко таких частиц осталось на сегодняшний день, зависит от массы и характера взаимодействий предполагаемого кандидата на роль скрытой массы. Физики умеют вычислять реликтовую плотность при известных характеристиках. Загадочный и замечательный факт состоит в том, что для стабильных частиц с массой масштаба слабого взаимодействия реликтовая плотность как раз и полу- чается примерно такой, чтобы эти частицы могли играть роль скрытой массы. Конечно, поскольку мы не знаем ни точной массы частицы, ни точных параметров ее взаимодействий (не говоря уже о моде- ли, к которой она может принадлежать), мы пока не можем ска- зать, насколько точно сойдутся у нас численные данные. Но счаст- ливое, хотя и приблизительное, численное соответствие между двумя явлениями, которые на первый взгляд представляются со- вершенно независимыми, интригует и вполне может оказаться свидетельством того, что именно физика слабых взаимодействий способна объяснить наличие во Вселенной скрытой массы. Такой тип кандидатов на роль скрытой массы получил извест- ность как WIMP ( Weakly Interacting Massive Particle — слабо взаимо- действующая массивная частица). Слово «слабый» здесь выступает в роли описательного термина, а не отсылки к слабому взаимодей- ствию: любая WIMP-частица вступает во взаимодействие еще ме- нее охотно, чем нейтрино. Без дополнительных данных о темной материи и ее свойствах — данных, которые, возможно, удастся получить на БАКе — мы не сможем установить, действительно ли скрытая масса представляет собой WIMP. Именно для этого, кстати говоря, и нужны экспериментальные исследования. ГОСТИ С ТЕМНОЙ СТОРОНЫ 465 СКРЫТАЯ МАССА И БАК Интригующая возможность получить образец темной материи — одна из главных причин, по которым космологов интересует физи- ка масштаба слабого взаимодействия и перспективы БАКа. Энер- гии, которые будут достигнуты на БАКе, как раз подходят для по- иска WIMP. Если скрытая масса в самом деле состоит из частиц, связанных с масштабом слабого взаимодействия, как позволяют предположить расчеты, не исключено, что эти частицы действи- тельно удастся получить на женевском коллайдере. Однако даже в этом случае нет никакой гарантии, что части- цы темной материи будут обнаружены. В конце концов, темная материя почти не вступает во взаимодействие с частицами Стан- дартной модели, а потому получить ее непосредственно в коллай- дере или обнаружить при помощи детектора наверняка не удаст- ся. Даже если нужная частица будет получена, она пролетит через детектор насквозь и не оставит никаких следов. Тем не менее от- чаиваться рано, даже если частица скрытой массы улизнет от нас. Любое решение проблемы иерархии будет связано с другими ча- стицами, большинство из которых взаимодействуют гораздо ак- тивнее. Некоторые из них, возможно, удастся получить не один раз, а при их распаде, опять же возможно, получится частица тем- ной материи, которая затем улетит, унося с собой часть импульса и энергии. Лучше всего из моделей слабого масштаба, о которых идет речь и которые могут естественным образом содержать достойного кандидата на роль темной материи, изучены на данный момент суперсимметричные модели. Если суперсимметрия действитель- но применима к нашему миру, то вполне возможно, что именно легчайшая суперсимметричная частица LSP и составляет темную материю. Эта легчайшая частица, несущая нулевой электрический заряд, взаимодействует слишком слабо и возникает сама по себе слишком редко, чтобы ее можно было обнаружить. Однако глю- ино, суперсимметричные партнеры переносчиков сильного вза- имодействия глюонов, и скварки, суперсимметричные партнеры кварков, по идее должны возникать, если они в принципе суще- 466 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ ствуют и находятся в подходящем диапазоне масс. Как уже обсуж- далось в главе 17, обе эти суперсимметричные частицы в конце концов должны распадаться с образованием LSP. Так что, несмо- тря на то что частицы темной материи не получится создать не- посредственно, они должны все же возникать при распаде других, более часто встречающихся частиц с достаточной частотой, чтобы их можно было обнаружить. Другие гипотезы о темной материи в слабом масштабе, име- ющие проверяемые следствия, придется разрабатывать пример- но так же. Масса частицы, составляющей темную материю, так или иначе должна лежать в диапазоне слабого взаимодействия, изу чением которого займется БАК. Эти частицы не удастся полу- чить непосредственно из-за их слабой активности, но многие моде- ли предусматривают существование других частиц, которые долж- ны распадаться, образуя именно темные частицы. В этом случае нам, возможно, удастся убедиться в существовании частицы тем- ной материи, а также узнать ее массу по недостающему импульсу. Обнаружение темной материи на БАКе было бы, безусловно, серьезным достижением. Ученые смогли бы подробно исследо- вать хотя бы некоторые из ее свойств. Однако для того, чтобы по-настоящему убедиться в том, что обнаруженная частица в са- мом деле составляет темную материю, потребуются дополнитель- ные доказательства, которые нам, может быть, помогут получить наземные и космические детекторы. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО НЕПОСРЕДСТВЕННОМУ ОБНАРУЖЕНИЮ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ Перспектива получить темную материю в коллайдере, несомнен- но, вызывает сильнейший интерес. Но следует заметить, что боль- шинство космологических экспериментов проходит не в ускорите- лях. Ответы на космологические вопросы и информацию, которая помогает хотя бы чуть лучше разобраться в ситуации, чаще всего получают в ходе специальных экспериментов на Земле и в кос- мосе, посвященных астрономическим вопросам и поиску темной материи. ГОСТИ С ТЕМНОЙ СТОРОНЫ 467 Конечно, темная материя почти не взаимодействует с обыч- ным веществом, поэтому поиски, ведущиеся в настоящее время, основаны на достаточно вольном предположении о том, что тем- ная материя, несмотря на почти полную невидимость, тем не ме- нее взаимодействует — слабо, но реально — с известным нам веществом (из которого мы, кстати говоря, можем построить детекторы). И это не просто попытка принять желаемое за дей- ствительное. Это предположение основано на некоторых расчетах, связанных с реликтовым излучением (о них уже упоминалось ра- нее); эти расчеты показывают, что если темная материя связана с моделями, предложенными для решения проблемы иерархии, то плотность оставшихся частиц вполне соответствует результа- там наблюдения за темной материей. Многие WIMP-кандидаты на роль темной материи, предложенные на основании этих рас- четов, взаимодействуют с частицами Стандартной модели с часто- той, которую, вполне возможно, удастся обнаружить при помощи современных детекторов. Но даже в этом случае, поскольку темная материя чрезвычайно неохотно вступает во взаимодействие, для ее поиска потребуются либо громадные детекторы на Земле, либо очень чувствительные детекторы (на Земле или в космосе), которые будут искать про- дукты, возникающие при встрече и аннигиляции темной мате- рии, а также при рождении новых частиц и античастиц. Вероят- ность выиграть в лотерею, купив всего один билетик, очень мала, но если приобрести больше половины всех имеющихся билетиков, то у игрока будут очень неплохие шансы. Точно так же очень боль- шой детектор, судя по всему, имеет шанс обнаружить темную мате- рию, хотя вероятность того, что темное вещество взаимодействует с каждым конкретным ядром в детекторе, чрезвычайно мала. Сложнее всего детектору будет зарегистрировать нейтраль- ные — незаряженные — частицы темной материи, а затем отли- чить их от космических лучей или другого фонового излучения. Частицы, не несущие на себе заряда, не взаимодействуют с де- тектором традиционными способами. Чтобы частица темной ма- терии оставила след в детекторе, нужно, чтобы она столкнулась с атомными ядрами в детекторе и хотя бы чуть-чуть поменяла 468 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ их энергию. Поскольку это будет единственным наблюдаемым следствием такого пролета, детекторы темной материи понево- ле должны будут регистрировать крохотные количества тепловой энергии или энергии отдачи, переданной детектору. Чтобы зафик- сировать и измерить эту энергию, детекторы должны быть либо очень холодными, либо очень чувствительными. Очень холодные устройства, известные как криогенные детек- торы, регистрируют небольшое количество тепла, которое выде- ляется при входе частицы темной материи в аппарат. Небольшое количество тепла, полученное и без того горячим детектором, было бы слишком трудно заметить, но специально разработанные холодные детекторы на это способны. Криогенные детекторы из- готавливают с применением кристаллического поглотителя, тако- го как германий. Среди экспериментальных установок такого рода можно назвать CDMS (Cryogenic Dark Matter Search — криогенный детектор темной материи), CRESST и EDELWEISS. К другому классу детекторов непосредственного действия от- носятся детекторы на инертных газах в жидком состоянии. Темная материя непосредственно не взаимодействует со светом, но энер- гия, получаемая атомом ксенона или аргона при столкновении с ним частицы темной материи, может вызвать характерную вспышку. Эксперименты с ксеноном включают XENON100 и LUX, среди экспериментальных установок с другими благородными жидкостями можно назвать ZEPLIN и ArDM. В теоретическом и экспериментальном физических сообще- ствах каждый желает знать, какие новые результаты ожидаются от этих экспериментов. Мне повезло побывать на конференции по темной материи в Санта-Барбаре, организованной в декабре 2009 г. двумя учеными — Дагом Финкбейнером и Нилом Вейне- ром; в то время CDMS, один из наиболее чувствительных экспе- риментов по регистрации темного вещества, как раз должен был выдать новые результаты. Даг и Нил — молодые друзья-ровесники, одновременно получившие магистерские степени в Беркли; мало того, они к тому же оба прекрасно разбираются в эксперимен- тах по темной материи и в том, каких результатов от них можно ожидать. Нил занимался в основном физикой элементарных ча- ГОСТИ С ТЕМНОЙ СТОРОНЫ 469 стиц, а Даг — астрофизикой, но тема темной материи объединила их обоих. На конференции им удалось собрать теоретиков и экс- периментаторов — ведущих специалистов по этому вопросу. Самая интересная лекция состоялась как раз в то утро, когда я туда приехала. Гарри Нелсон, профессор Университета Калифор- нии в Санта-Барбаре, рассказывал о прошлогодних результатах CDMS. Вы, возможно, удивитесь, что рассказ о довольно старых уже результатах привлек столько внимания. Причина проста: все присутствующие знали, что всего через три дня будут опублико- ваны новые данные по этому эксперименту. Ходили активные слухи о том, что ученые CDMS получили реальные и весьма убе- дительные свидетельства открытия, так что всем хотелось лучше понять суть эксперимента. Много лет теоретики слушали разго- воры о детекторах темной материи и соответствующих экспери- ментах, но, как правило, обращали внимание только на результат, а не на технические подробности самого эксперимента. Но теперь, когда до открытия темной материи, казалось, было рукой подать, теоретикам хотелось узнать побольше. Через несколько дней результаты действительно были опубликованы и разочаровали аудиторию с ее сильно преувеличенными ожиданиями. Но в день лекции всем было ужасно интересно. Гарри хватило терпения за- вершить свой обзор, несмотря на постоянные отвлекающие во- просы о новых результатах. Поскольку лекция проходила в формате двухчасовой нефор- мальной презентации, присутствующие могли прерывать лекто- ра в любой момент, если это было необходимо для лучшего по- нимания. Гарри прекрасно объяснил все, что могло заинтересо- вать аудиторию, состоявшую преимущественно из специалистов по физике элементарных частиц, — ведь сам он по образованию тоже был таким специалистом, а не астрономом, и говорил с нами на одном языке. Надо сказать, что в сложнейших экспериментах, связанных с поисками темной материи, дьявол, как всегда, кроется в деталях. Гарри дал нам это понять совершенно определенно. Эксперимент CDMS основан на продвинутой технологии низкоэнергетической физики — той самой, что традиционно называют физикой кон- 470 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ денсированных состояний или физикой твердого тела. Гарри рас- сказал, что сам до вступления в коллаборацию ни за что бы не по- верил, что такие тонкие измерения вообще возможны, и пошутил, что его коллегам-экспериментаторам следует радоваться, что пер- воначальное решение об эксперименте зависело не от него. CDMS работает совершенно иначе, нежели сцинтилляцион- ные детекторы на ксеноне и иодиде натрия. Он содержит кусочки германия или кремния размером с хоккейную шайбу, увенчанные точнейшим устройством регистрации, роль которого выполня- ет фононный датчик. Детектор работает при очень низкой тем- пературе — где-то на самой границе сверхпроводимости. Даже небольшого количества тепла, приносимого фононами (фоно- ны — акустические квазичастицы, переносящие энергию через германий или кремний, примерно как фотоны переносят энер- гию света), может оказаться достаточно, чтобы вывести детектор из состояния сверхпроводимости и зарегистрировать событие, по- тенциально связанное с темным веществом, при помощи устрой- ства под названием жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|