Из чего состоит темная материя

Большую часть нашего мира мы не можем пронаблюдать — 95% массы Вселенной составляют темная материя и темная энергия. Из чего состоит темная материя, пока не ясно — однако есть предположение, что это могут быть аксионы, элементарные частицы, ответственные за соблюдение временно́й симметрии.

Для человеческого сознания прошлое и будущее – противоположные измерения: о первом мы помним, второе мы ожидаем. Кино, запущенное с финала, кажется нам нереалистичным. Наша «стрела времени» направлена от прошлого к будущему.

Кажется, что направление времени незыблемо. Но если бы мы сняли фильм о субатомных частицах, мы бы обнаружили, что его отраженная версия вполне точно отражает реальность. Фундаментальные законы физики, за некоторыми исключениями, выполняются в любом направлении времени: стрела времени для них обратима.

Если следовать законам формальной логики, обращение времени должно в корне менять физические законы. Но в реальности это не так. Чтобы описать это явление, физики используют термины «T-инвариантность» или «Т-симметрия».

В отличие от фундаментальных законов физики, наша повседневная жизнь нарушает Т-инвариантность. Это вопиющее несоответствие приводит нас к вопросу: почему реальный мир «Т-асимметричен»? Возможно ли существование неких созданий, которые молодеют, пока мы стареем? И можем ли мы с помощью какого-нибудь физического процесса повернуть время вспять?

К сожалению, дать точного ответа наука пока не может. Зато мы можем предположить, почему вообще существует Т-симметрия. Современная версия глубже и сложнее, чем предположения 50-летней давности, но и в ней есть лазейка. И если наука с ней разберется, возможно, мы сможем понять сущность темной материи[4] – невидимой части вещества Вселенной. Но о темной материи — немного позже.

История изучения Т-симметрии началась в 1956 году. В то время ученые Т.Д. Ли и С.Н. Янг думали над существованием П-инвариантности, пространственного аналога Т-симметрии. Если бы П-инвариантность существовала, то события могли бы отражаться как в зеркале. Однако результаты экспериментов Ли и Янга показали, что П-инвариантность проявляется только для гравитационных, электромагнитных и сильных взаимодействий. Для слабых взаимодействий ее не существовало.

Тогда физики перешли от пространственной симметрии к временно́й. Существование Т-инвариантности некоторое время было аксиомой – пока в 1964 году группа ученых под руководством Джеймса Кронина и Валентины Фитч не обнаружила слабый эффект в распаде К-мезонов, который нарушает симметрию времени. Это открытие взволновало физиков: как Т-симметрия может быть одновременно точной и приблизительной? Эту проблему решили Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава. В 1973 году они предположили, что приблизительная Т-инвариантность – лишь случайное следствие других, более глубоких принципов.

К тому времени наброски Стандартной модели физики элементарных частиц выросли в мощную, эмпирически успешную теоретическую базу. В её основу легла теория относительности, квантовая механика и математическое правило единообразия. Но связать эти идеи было сложно: вместе они ограничивают возможности базовых взаимодействий.

Кобаяси и Маскава заявили: если бы физика ограничивалась двумя известными на тот момент семействами частиц, кварками и лептонами, то все взаимодействия подчинялись бы Т-симметрии. Но открытие Кронина и Фитч пролило свет на существование третьей группы частиц, которые нарушают Т-симметрию. Впоследствии эти частицы действительно были найдены.

Однако история на этом не заканчивается. В гипотезе Кобаяси и Маскавы нашлась лазейка. Джерард т’Хоофт обнаружил новый вид взаимодействия, нарушающий Т-симметрию – и это стало сюрпризом для физиков-теоретиков. Нарушение Т-симметрии в данном случае было более очевидным, чем у Кронина и Фитч. Впрочем, природа упорно игнорирует эту лазейку – Т-инвариантность строго соблюдается.

Лишь одно объяснение незыблемости Т-симметрии прошло проверку временем. Это идея Роберто Печчеи и Хелен Квинн о расширении Стандартной модели через нейтрализующее поле, поведение которого особенно чувствительно к новому взаимодействию т’Хоофта. Если присутствует новое взаимодействие, нейтрализующее поле подстраивает собственную величину, чтобы компенсировать влияние этого взаимодействия. Такое нейтрализующее поле, получается, закрывает нашу лазейку. Частицы, производимые нейтрализующим полем, назвали аксионами.

Согласно теории, аксионы – это очень легкие, живущие долго частицы, которые слабо взаимодействуют с материей. Но мы не знаем ничего об их массе: она находится в большом промежутке значений. Та же проблема была с другими частицами: бозоном Хиггса, очарованным кварком и топ-кварком – до обнаружения каждой из этих частиц, теория предсказала все их свойства, кроме значения массы. Оказалось, что сила взаимодействия аксиона пропорциональна его массе. Поэтому по мере уменьшения значения массы аксиона, он становится все более неуловимым.

Раньше физики были сосредоточены на моделях, в которых аксион был тесно связан с бозоном Хиггса. Далее появилось предположение, что масса аксиона должна быть порядка 10 кэВ — одна пятидесятая массы электрона. Большинство экспериментов, о которых мы сказали ранее, искали именно такой аксион – однако выяснилось, что таких аксионов не существует. Поэтому ученые решили переключиться на гораздо меньшие значения масс аксионов.

Такие аксионы должны были в изобилии производиться в течение первых моментов Большого взрыва. Если аксионы действительно существуют, то они должны заполнять Вселенную в виде так называемой аксионной жидкости. И эта жидкость должна влиять на общую плотность массы Вселенной, так как аксионы имеют массу. Масса аксионов, согласно подсчетам, приблизительно равна массе темной материи — по сути, загадочная субстанция, заполняющая 22% Вселенной, может состоять из этих гипотетических частиц.

Экспериментальный поиск аксионов продолжается на нескольких фронтах. Два из самых многообещающих экспериментов нацелены на поиск аксионной жидкости. Один из них, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), использует специальные сверхчувствительные антенны для преобразования фоновых аксионов в электромагнитные импульсы. Другой, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), ищет крошечные колебания в движении ядерных спинов, которые могут быть вызваны аксионной жидкостью. Помимо этого, эти сложные эксперименты обещают покрыть почти весь диапазон возможных масс аксиона. Возможно, если эти эксперименты докажут существование аксионов, мы поймем, из чего на самом деле состоит темная материя.