Что такое барионная материя
Барион
К основным барионам относятся (по мере возрастания массы): протон, нейтрон, лямбда-гиперон, сигма-гиперон, кси-гиперон, омега-гиперон. Масса омега-гиперона (3278 масс электрона) почти в 1,8 раз больше массы протона.
Содержание
Классификация барионов
Наиболее стабильными барионами являются протон и нейтрон (вместе они составляют группу нуклонов). Первый из них, насколько это сегодня известно, стабилен, второй испытывает бета-распад с временем жизни, близким к 1000 с. Более тяжёлые барионы распадаются за время от 10 −23 до 10 −10 с.
Нуклоны имеют кварковый состав uud (протон) и udd (нейтрон). Их спин равен 1/2, странность нулевая. Масса близка к 940 МэВ. Вместе со своими короткоживущими возбуждёнными состояниями нуклоны относятся к группе N-барионов.
Барионы, содержащие как минимум один странный кварк (но не содержащие более тяжёлых кварков), называются гиперонами.
В семействе барионов, кроме нуклонов, выделяют группы Δ-, Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-барионов.
Существует также широкий спектр короткоживущих возбуждённых состояний этих барионов.
Лёгкие барионы (гипероны, Δ-барионы и нуклоны) в зависимости от спина входят в состав одного из двух мультиплетов: декуплета со спином 3/2 (Δ-барионы, Ω-гипероны и возбуждённые состояния Σ- и Ξ-гиперонов) и октета со спином 1/2 (нуклоны, Σ-, Λ- и Ξ-гипероны).
Барионная материя
Барио́нная материя — материя, состоящая из барионов (нейтронов, протонов) и электронов. То есть, привычная форма материи, вещество. Существует также барионная антиматерия, или антивещество.
Барионное число
Барионы подчиняются эмпирически установленному закону сохранения барионного числа: в замкнутой системе величина, равная разности количества барионов и количества антибарионов, сохраняется. Эта величина называется барионным числом. Причины сохранения барионного числа пока неизвестны (во всяком случае, с ним не связано какое-либо калибровочное поле, как с электрическим зарядом), однако во многих вариантах современных (пока не подтверждённых) теорий, расширяющих Стандартную Модель, этот закон может нарушаться. Если барионное число не сохраняется, то протон (самый лёгкий из барионов) может распадаться; однако пока распад протона не обнаружен — установлено только нижнее ограничение на время жизни протона (от 10 29 до 10 33 лет, в зависимости от канала распада). Предсказываются и другие процессы, не сохраняющие барионное число, например, нейтрон-антинейтронные осцилляции.
Барионная асимметрия Вселенной
Кольцо темной материи, гипотетически связанной с барионной асимметрией.
Барионная асимметрия Вселенной – наблюдаемое явление преобладания вещества над антивеществом во Вселенной.
Барионы и их античастицы
Барион – это семейство элементарных частиц, основными свойствами которых являются участие в сильном взаимодействии и наличие полуцелого спина (фермион), также барионы состоят из трех кварков, изредка – из пяти. К частицам такого рода относятся протон, нейтрон, сигма-/кси-/омега-гиперон и лямбда-барион. Вместе с электронами барионы составляют материю, в привычной для нас форме – барионная материя.
Однако, как уже общеизвестно, существует и иной вид материи – антиматерия или антивещество. Первым шагом к этому открытию стало обнаружение позитрона в 1932-м году Карлом Андерсоном. Позднее были открыты и другие античастицы и даже синтезирован антиводород.
Факт наличия антиматерии во Вселенной должен непременно укладываться в космологические модели ее формирования – здесь-то и берет свое начало вопрос о барионной асимметрии во Вселенной.
Материя и энергия во Вселенной
Формирование вещества и антивещества
Основываясь на результатах наблюдения за видимой Вселенной, ученые могут утверждать с уверенностью, что антиматерия реально стабильно не образуется в природе. Ее нет как в нашей галактике, так и за ее пределами. А существование всех античастиц, известных физике, было подтверждено экспериментально, при помощи специальных установок, вроде ускорителей. Даже если позднее античастицы будут обнаружены в природе, где-то вне Млечного Пути, формирование подобных «сгустков» антиматерии не имеет определенных оснований. Очевидное преобладание частиц над античастицами во Вселенной не удается объяснить даже при помощи двух основных космологических теорий: общей теории относительности и стандартной модели.
Антиматерия в специальном реакторе. Это самое дорогое вещество в мире — один миллиграмм антивещества стоит 25 миллионов долларов.
Рассматривая теорию Большого Взрыва и учитывая известные законы термодинамики, ученые отметили тот факт, что число барионов в тот момент было приблизительно равно числу фотонов. Вероятнее всего изначально материя и антиматерия были представлены в равном количестве и их частицы (барионы и антибарионы) при столкновении аннигилировали. По этой причине большая часть барионов была уничтожена, в то время как фотоны, несмотря на постоянное поглощение и переизлучение, сохранились практически в изначальном количестве. Анализируя полученные результаты наблюдений и теоретические расчеты, физики пришли к выводу, что число фотонов превышает количество барионов в миллиард раз.
Упомянутое открытие означает, что в какой-то момент барионов стало на одну миллиардную больше, чем их античастиц, и именно эта миллиардная часть не нашла себе пары, чтобы аннигилировать. Благодаря некоему неизученному эффекту материя сохранилась в виде барионов, создав тем самым условия для появления жизни во Вселенной. Все могло бы произойти иначе, и в мире остался бы лишь разреженный протон-антипротонный газ и фотоны.
Так как барионная материя допускает наличие разумной жизни, последняя все же была сформирована и вскоре задалась вопросом о том самом эффекте, допустившем преобладание вещества над антивеществом на одну миллиардную часть.
Нарушение CP-инвариантности
В физике элементарных частиц существует такое понятие как «комбинированная чётность», которая предполагает инвариантность различных взаимодействий по отношению к следующим симметриям:
Схема распада ядра кобальта
Так как физические уравнения сохраняют свой вид при зеркальной инверсии системы, теоретически предполагалось, что зеркальное отражение какой-либо реакции проходило бы точно так же, как и сама реакция. До 1956-го года считалось, что сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия действуют одинаково при P-симметрии. Однако, в результате обработки данных китайскими учеными Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг было отмечено, что сохранение P-симметрии в слабых взаимодействиях не было подтверждено экспериментально. В том же году командой американских и китайских физиков был проведен эксперимент на основе бета-распаде ядер кобальта-60 (слабое взаимодействие), который показал значительное нарушение P-симметрии.
Решением возникшей проблемы симметрии занялся советский ученый Лев Ландау, который в 1957-м году предложил теорию о еще одной симметрии, таковой, что ее комбинация с P-симметрией сохранялась бы при слабом взаимодействии. В роли этой симметрии выступило зарядовое сопряжение (С-симметрия).
Однако, спустя всего семь лет, в 1964-м году американские физики Джеймс Кронин и Вэл Фитч, проведя эксперимент по распаду нейтральных каонов, открыли нарушение и CP-инвариантности. Это открытие позволяет понять причину, по которой мог произойти наблюдаемый дисбаланс вещества и антивещества во Вселенной.
Работы Сахарова
Проблемой барионной асимметрии Вселенной занимался выдающийся советский теоретик Андрей Сахаров, сделавший вклад в создание водородной бомбы и отличившийся трудами в области управляемого термоядерного синтеза, физики плазмы, магнитной гидродинамики и других. Именно он связал дисбаланс частиц и античастиц с нарушением CP-инвариантности. Помимо нарушения CP-симметрии, в своей работе Сахаров указал два других условия, требуемых для наличия барионной асимметрии, а именно:
Этапы развития Вселенной с точки зрения взаимодействия между частицами. Смотреть в полном размере.
Таким образом, вышеприведенные условия, которые поставил Андрей Сахаров, приводят к барионной асимметрии Вселенной. Хотя эти условия теоретически и могут быть удовлетворены на ранних этапах формирования Вселенной, экспериментальные подтверждения их достоверности до сих пор не получены.
Существует ряд иных теорий о сложившемся дисбалансе вещества и антивещества во Вселенной, в том числе и предположение об изначальных условиях несимметричности. В 2010-м году появилась гипотеза, связывающая барионную асимметрию с темной материей. Проверка этих гипотез проводится на Большом адроном коллайдере, на основе результатов его экспериментов строятся и другие гипотезы.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Астрономы напрямую увидели недостающую барионную материю Вселенной
F. Nicastro et al. / Nature
Группа астрономов под руководством Фабрицио Никастро показала, что в спектре излучения лацертиды 1ES 1553+113 возникают линии сильно ионизированного кислорода, характерные для сети межгалактического газа, в которой находится около половины барионного вещества Вселенной. До этого момента ученые не могли надежно доказать, что такие структуры действительно существуют. Статья опубликована в Nature, краткий обзор статьи можно найти в разделе News and Views.
Согласно современным представлениям, Вселенная более чем на 95 процентов состоит из темной материи и темной энергии, а на долю обычной, барионной материи (протоны, нейтроны) приходится всего около пяти процентов массы. Эти соотношения подтверждаются численными расчетами в рамках общепринятой модели ΛCDM (холодная темная материя) и полагаются на данные о спектре реликтового излучения, которые спутники Planck и WMAP собирали в 2001–2013 годах. Тем не менее, прямые наблюдения за галактиками приводят к несколько другому результату. Оказывается, что если сложить барионную материю всех известных галактик с красным смещением менее z 5 —10 7 — из-за этого нити часто называют тепло-горячей межгалактической средой (WHIM). К сожалению, плотность газа в тепло-горячей межгалактической среде невероятно мала, а молекулы водорода — основной ее компонент — сильно ионизированы и практически не излучают свет. Поэтому увидеть «недостающее» вещество очень сложно. Пока еще астрономам так и не удалось подтвердить существование межгалактических нитей с достаточной степенью достоверности, хотя несколько свидетельств в их пользу было.
Группа ученых под руководством Фабрицио Никастро (Fabrizio Nicastro), кажется, впервые убедительно доказала, что межгалактические нити действительно существуют. Для этого астрономы проверили, как межзвездная среда искажает излучение лацертиды 1ES 1553+113, которая находится на расстоянии около 4,5 миллиардов световых лет от Земли (z > 0,4, точное расстояние неизвестно). Лацертиды — это мощные источники электромагнитного излучения, имеющие непрерывный спектр практически во всех диапазонах частот. Когда такое излучение проходит через газ, на нем остается «отпечаток» (спектр поглощения вещества), по которому можно точно установить химический состав газа и его расстояние до Земли. В то же время, в тепло-горячей межзвездной среде помимо водорода находится небольшое количество сильно ионизированного атомарного кислорода — если точнее, кислорода O VII, который напоминает строением своих электронных оболочек гелий и которого практически нет в галактиках. Поэтому по характерным «отпечаткам» такого кислорода можно проверить, проходило излучение через межгалактические нити или нет.
Наложение «отпечатков» ионизированного кислорода на излучение лацертиды (свет движется справа налево)
Таким образом, наблюдения за спектром лацертиды показали, что на красных смещениях около z1 ≈ 0,43 и z2 ≈ 0,36 должна находиться тепло-горячая межзвездная среда, в которой собрана недостающая барионная материя Вселенной — согласно расчетам ученых, измеренная интенсивность поглощения указывает на то, что в ней находится от 9 до 40 процентов всей материи. Кроме того, прямые измерения подтверждаются рядом косвенных признаков. Например, на тех же красных смещениях наблюдается повышенная концентрация галактик, предположительно находящихся на концах нитей. Также в их окрестности наблюдаются области с высокой концентрацией водорода, которые могут принадлежать межгалактическим нитям.
Галактики в окрестностях более далекой структуры
F. Nicastro et al. / Nature
Галактики в окрестностях более близкой структуры
F. Nicastro et al. / Nature
Стоит отметить, что области с сильно ионизированным кислородом O VII могут возникать не только в тепло-горячей межзвездной среде, но и в галактиках. Тем не менее, в этом случае в спектре также должны присутствовать линии поглощения холодных ионов, встречающихся в галактиках гораздо чаще. Авторы статьи подчеркивают, что они такие линии не регистрировали.
В октябре прошлого года сразу две группы астрономов независимо сообщили о регистрации недостающей барионной материи в филаментах с помощью эффекта Сюняева-Зельдовича. Заключается этот эффект в следующем: когда фотоны реликтового излучения рассеиваются на горячих электронах межзвездного газа, они теряют энергию, и в результате спектр излучения немного изменяется. Следовательно, измеряя спектр реликтового излучения, приходящего из разных точек неба, можно судить о концентрации газа, через который им пришлось пройти. Если же сравнить полученную картину с известным распределением галактик, можно рассчитать, как много газа находится в филаментах, ускользающих от прямых наблюдений. Подобный анализ ученые выполнили примерно для миллиона галактик, что позволило им подтвердить с достоверностью около 5σ, что недостающая материя действительно находится в филаментах. Тем не менее, на данный момент статьи все еще проходят проверку в рецензируемых журналах, а потому существуют только в виде препринтов — в прошлом уже поступали ложные сообщения об обнаружении недостающей барионной материи, и редакторы журналов не хотят ошибаться.
В феврале 2016 года группа астрономов под руководством Эвана Кина смогла увидеть недостающую барионную материю, связав данные быстрого радиовсплеска с его источником — далекой эллиптической галактикой. Этот способ очень сильно похож на подход группы Фабрицио Никастро. Одновременно с этой статьей вышла другая работа, в которой астрофизики из Австрии, Германии и США показали, что недостающую барионную материя может находиться не в филаментах, а в джетах сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах галактик.
Темная материя
Игорь Сокальский,
кандидат физико-математических наук
«Химия и жизнь» №11, 2006
Невидимые действующие лица и их предполагаемые исполнители
В предыдущих статьях цикла мы рассмотрели устройство видимой Вселенной. Поговорили о ее структуре и частицах, которые формируют эту структуру. О нуклонах, играющих главную роль, поскольку именно из них состоит всё видимое вещество. О фотонах, электронах, нейтрино, а также о второстепенных актерах, занятых во вселенском спектакле, что разворачивается 14 миллиардов лет, прошедших с момента Большого взрыва. Казалось бы, рассказывать больше не о чем. Но это не так. Дело в том, что видимое нами вещество — лишь малая часть того, из чего состоит наш мир. Все остальное — нечто, о чем мы почти ничего не знаем. Это загадочное «нечто» получило название темной материи.
Если бы тени предметов зависели не от величины сих последних,
а имели бы свой произвольный рост, то, может быть,
вскоре не осталось бы на всем земном шаре ни одного светлого места.
Что будет с нашим миром?
После открытия в 1929 году Эдвардом Хабблом красного смещения в спектрах удаленных галактик стало ясно, что Вселенная расширяется. Одним из вопросов, возникших в этой связи, был следующий: как долго будет продолжаться расширение и чем оно закончится? Силы гравитационного притяжения, действующие между отдельными частями Вселенной, стремятся затормозить разбегание этих частей. К чему торможение приведет — зависит от суммарной массы Вселенной. Если она достаточно велика, силы тяготения постепенно остановят расширение и оно сменится сжатием. В результате Вселенная в конце концов опять «схлопнется» в точку, из которой когда-то начала расширяться. Если же масса меньше некоторой критической массы, то расширение будет продолжаться вечно. Обычно принято говорить не о массе, а о плотности, которая связана с массой простым соотношением, известным из школьного курса: плотность есть масса, деленная на объем.
Расчетное значение критической средней плотности Вселенной примерно 10 –29 граммов на кубический сантиметр, что соответствует в среднем пяти нуклонам на кубический метр. Следует подчеркнуть, что речь идет именно о средней плотности. Характерная концентрация нуклонов в воде, земле и в нас с вами составляет около 10 30 на кубический метр. Однако в пустоте, разделяющей скопления галактик и занимающей львиную долю объема Вселенной, плотность на десятки порядков ниже. Значение концентрации нуклонов, усредненное по всему объему Вселенной, десятки и сотни раз измеряли, тщательно подсчитывая разными методами количества звезд и газопылевых облаков. Результаты таких измерений несколько различаются, но качественный вывод неизменен: значение плотности Вселенной едва дотягивает до нескольких процентов от критической.
Однако постепенно стало ясно, что истинная масса Вселенной намного больше видимой массы, заключенной в звездах и газопылевых облаках и, скорее всего, близка к критической. А возможно, в точности равна ей.
Свидетельства существования темной материи
Первое указание на то, что с подсчетом массы Вселенной что-то не так, появилось в середине 30-х годов XX века. Швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники (а это одно из самых больших известных нам скоплений, оно включает в себя тысячи галактик) движутся вокруг общего центра. Результат получился обескураживающим: скорости галактик оказались гораздо больше, чем можно было ожидать, исходя из наблюдаемой суммарной массы скопления. Это означало, что истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой. Но основное количество материи, присутствующей в этой области Вселенной, остается по каким-то причинам невидимой и недоступной для прямых наблюдений, проявляя себя только гравитационно, то есть только как масса.
О наличии скрытой массы в скоплениях галактик свидетельствуют также эксперименты по так называемому гравитационному линзированию. Объяснение этого явления следует из теории относительности. В соответствии с ней, любая масса деформирует пространство и подобно линзе искажает прямолинейный ход лучей света. Искажение, которое вызывает скопление галактик, столь велико, что его легко заметить. В частности, по искажению изображения галактики, которая лежит за скоплением, можно рассчитать распределение вещества в скоплении-линзе и измерить тем самым его полную массу. И оказывается, что она всегда во много раз больше, нежели вклад видимого вещества скопления.
Через 40 лет после работ Цвикки, в 70-е годы, американский астроном Вера Рубин изучала скорости вращения вокруг галактического центра вещества, расположенного на периферии галактик. В соответствии с законами Кеплера (а они напрямую следуют из закона всемирного тяготения), при движении от центра галактики к ее периферии скорость вращения галактических объектов должна убывать обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра. Измерения же показали, что для многих галактик эта скорость остается почти постоянной на весьма значительном удалении от центра. Эти результаты можно истолковать только одним способом: плотность вещества в таких галактиках не убывает при движении от центра, а остается почти неизменной. Поскольку плотность видимого вещества (содержащегося в звездах и межзвездном газе) быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должно обеспечивать нечто, чего мы по каким-то причинам увидеть не можем. Для количественного объяснения наблюдаемых зависимостей скорости вращения от расстояния до центра галактик требуется, чтобы этого невидимого «чего-то» было примерно в 10 раз больше, чем обычного видимого вещества. Это «нечто» получило название «темная материя» (по-английски «dark matter») и до сих пор остается самой интригующей загадкой в астрофизике.
Еще одно важное свидетельство присутствия темной материи в нашем мире приходит из расчетов, моделирующих процесс формирования галактик, который начался примерно через 300 тысяч лет после начала Большого взрыва. Эти расчеты показывают, что силы гравитационного притяжения, которые действовали между разлетающимися осколками возникшей при взрыве материи, не могли скомпенсировать кинетической энергии разлета. Вещество просто не должно было собраться в галактики, которые мы тем не менее наблюдаем в современную эпоху. Эта проблема получила название галактического парадокса, и долгое время ее считали серьезным аргументом против теории Большого взрыва. Однако если предположить, что частицы обычного вещества в ранней Вселенной были перемешаны с частицами невидимой темной материи, то в расчетах всё становится на свои места и концы начинают сходиться с концами — формирование галактик из звезд, а затем скоплений из галактик становится возможным. При этом, как показывают вычисления, сначала в галактики скучивалось огромное количество частиц темной материи и только потом, за счет сил тяготения, на них собирались элементы обычного вещества, общая масса которого составляла лишь несколько процентов от полной массы Вселенной. Получается, что знакомый и, казалось бы, изученный до деталей видимый мир, который мы совсем недавно считали почти понятым, — только небольшая добавка к чему-то, из чего в действительности состоит Вселенная. Планеты, звезды, галактики да и мы с вами — всего лишь ширма для громадного «нечто», о котором мы не имеем ни малейшего представления.
Фотофакт
Скопление галактик (в левой нижней части участка, обведенного кружком) создает гравитационную линзу. Она искажает форму расположенных за линзой объектов — вытягивая их изображения в одном направлении. По величине и направлению вытягивания международная группа астрономов из Южной Европейской обсерватории, возглавляемая учеными из парижского Института астрофизики, построила распределение масс, которое и показано на нижнем изображении. Как видно, в скоплении сосредоточено гораздо больше массы, нежели удается разглядеть в телескоп.
Охота на темные массивные объекты — дело небыстрое, и на фотографии результат выглядит не самым эффектным образом. В 1995 году телескоп «Хаббл» заметил, что одна из звездочек Большого Магелланова облака вспыхнула ярче. Это свечение продолжалось три с лишним месяца, но потом звезда вернулась к своему естественному состоянию. А шесть лет спустя рядом со звездой появился какой-то едва светящийся объект. Это и был холодный карлик, который, проходя на расстоянии 600 световых лет от звезды, создал гравитационную линзу, усиливающую свет. Расчеты показали, что масса этого карлика составляет всего 5–10% от массы Солнца.
Наконец, общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной со средней плотностью вещества, заключенного в ней. В предположении о том, что средняя кривизна пространства равна нулю, то есть в нем действует геометрия Эвклида, а не Лобачевского (что надежно проверено, например, в экспериментах с реликтовым излучением), эта плотность должна быть равна 10 –29 граммам на кубический сантиметр. Плотность же видимого вещества примерно в 20 раз меньше. Недостающие 95% от массы Вселенной и есть темная материя. Обратите внимание, что измеренное из скорости расширения Вселенной значение плотности равно критическому. Два значения, независимо вычисленные совершенно разными способами, совпали! Если в действительности плотность Вселенной в точности равна критической, это не может быть случайным совпадением, а представляет собой следствие какого-то фундаментального свойства нашего мира, которое еще предстоит понять и осмыслить.
Что это?
Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует — об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше. А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах. После того как к началу XXI века в результате многолетних наблюдений в экспериментах SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) было установлено, что у нейтрино масса есть, стало ясно, что от 0,3% до 3% из 95% скрытой массы заключается в давно знакомых нам нейтрино — пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино. Оставшиеся 92–95% состоят из двух частей — темной материи и темной энергии. Незначительную долю темной материи составляет обычное барионное вещество, построенное из нуклонов, за остаток отвечают, по-видимому, какие-то неизвестные массивные слабовзаимодействующие частицы (так называемая холодная темная материя). Баланс энергий в современной Вселенной представлен в таблице, а рассказ о ее трех последних графах — ниже.
Барионная темная материя
Небольшая (4–5%) часть темной материи — это обычное вещество, которое не испускает или почти не испускает собственного излучения и поэтому невидимо. Существование нескольких классов таких объектов можно считать экспериментально подтвержденным. Сложнейшие эксперименты, основанные всё на том же гравитационном линзировании, привели к открытию так называемых массивных компактных галообъектов, то есть расположенных на периферии галактических дисков. Для этого потребовалось следить за миллионами удаленных галактик в течение нескольких лет. Когда темное массивное тело проходит между наблюдателем и далекой галактикой, ее яркость на короткое время уменьшается (или увеличивается, поскольку темное тело выступает в роли гравитационной линзы). В результате кропотливых поисков такие события были выявлены. Природа массивных компактных галообъектов ясна не до конца. Скорее всего, это либо остывшие звезды (коричневые карлики), либо планетоподобные объекты, не связанные со звездами и путешествующие по галактике сами по себе. Еще один представитель барионной темной материи — недавно обнаруженный в галактических скоплениях методами рентгеновской астрономии горячий газ, который не светится в видимом диапазоне.
Небарионная темная материя
В качестве главных кандидатов на небарионную темную материю выступают так называемые WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность WIMP состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Именно поэтому они и есть самая настоящая невидимая темная материя, и именно поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Поиски WIMP ведутся во многих экспериментах в течение последних 20–30 лет, но, несмотря на все усилия, они до сих пор обнаружены не были.
Одна из идей состоит в том, что если такие частицы существуют, то Земля в своем движении вместе с Солнцем по орбите вокруг центра Галактики должна лететь сквозь дождь, состоящий из WIMP. Несмотря на то что WIMP представляет собой чрезвычайно слабо взаимодействующую частицу, какая-то очень малая вероятность провзаимодействовать с обычным атомом у нее всё же есть. При этом в специальных установках — очень сложных и дорогостоящих — может быть зарегистрирован сигнал. Количество таких сигналов должно меняться в течение года, поскольку, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля меняет свою скорость и направление движения относительно ветра, состоящего из WIMP. Экспериментальная группа DAMA, работающая в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, сообщает о наблюдаемых годичных вариациях скорости счета сигналов. Однако другие группы пока не подтверждают этих результатов, и вопрос, по существу, остается открытым.
Другой метод поиска WIMP основан на предположении о том, что в течение миллиардов лет своего существования различные астрономические объекты (Земля, Солнце, центр нашей Галактики) должны захватывать WIMP, которые накапливаются в центре этих объектов, и, аннигилируя друг с другом, рождать поток нейтрино. Попытки детектирования избыточного нейтринного потока из центра Земли в направлении к Солнцу и к центру Галактики были предприняты на подземных и подводных нейтринных детекторах MACRO, LVD (лаборатория Гран-Сассо), NT-200 (озеро Байкал, Россия), SuperKamiokande, AMANDA (станция Скотт-Амундсен, Южный полюс), но пока не привели к положительному результату.
Темная энергия
В начале прошлого века Альберт Эйнштейн, желая обеспечить космологической модели в общей теории относительности независимость от времени, ввел в уравнения теории так называемую космологическую постоянную, которую обозначил греческой буквой «лямбда» — Λ. Эта Λ была чисто формальной константой, в которой сам Эйнштейн не видел никакого физического смысла. После того как было открыто расширение Вселенной, надобность в ней отпала. Эйнштейн очень жалел о своей поспешности и называл космологическую постоянную Λ своей самой большой научной ошибкой. Однако спустя десятилетия выяснилось, что постоянная Хаббла, которая определяет темп расширения Вселенной, меняется со временем, причем ее зависимость от времени можно объяснить, подбирая величину той самой «ошибочной» эйнштейновской постоянной Λ, которая вносит вклад в скрытую плотность Вселенной. Эту часть скрытой массы и стали называть «темная энергия».
О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А еще темная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.
Главный кандидат на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Еще один кандидат — гипотетическое сверхслабое поле, получившее название квинтэссенция. Надежды на прояснение природы темной энергии связывают прежде всего с новыми астрономическими наблюдениями. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет человечеству радикально новые знания, поскольку в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.
Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.
Но большинство физиков сейчас испытывают воодушевление. Опыт показывает, что все загадки, которые ставила перед человечеством природа, рано или поздно разрешались. Несомненно, разрешится и загадка темной материи. И это наверняка принесет совершенно новые знания и понятия, о которых мы пока не имеем никакого представления. И возможно, мы встретимся с новыми загадками, которые, в свою очередь, также будут разгаданы. Но это будет совсем другая история, которую читатели «Химии и жизни» смогут прочесть не раньше, чем через несколько лет. А может быть, и через несколько десятилетий.