Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

DAMA/LIBRA и LUX — это лишь примеры двух экспериментов, которые занимаются поиском темной материи. Что касается остальных, большинство пришло к выводу, что увидеть темную материю им не удалось, хотя некоторые утверждают, будто все же что-то видели. Как правило, результаты «видевших» темную материю противоречат результатам «не видевших». В общем и целом, поиски темной материи — это хоть и хаотичное, но крайне интересное поле исследования. И расхождение результатов, наверно, даже неизбежно. Вне зависимости от того, где на Земле вы находитесь, везде присутствует естественное излучение от разных источников, а потому зерно от плевел отделить сложно. Детектор зафиксировал столкновение с частицей темной материи или это со свистом пролетел ничем не примечательный нейтрон? Чтобы увидеть редкие столкновения крошечных вимпов, требуется огромная точность, и исследователи постоянно пытаются довести свои эксперименты и исследования до идеала. Иногда это даже заходит слишком далеко.
А еще поиск частицы темной материи — хороший пример того, как исследования выглядят на самом деле. Если исследовательская группа заявляет об обнаружении чего-то, это еще не значит, что открытие внезапно стало общепринятой истиной. Во-первых, открытие должно быть проверено другими исследователями, желательно с привлечением других методов и других возможных источников погрешностей. Настолько далеко в поисках столкновений с темной материей мы еще не зашли.
Ряд новых экспериментов с еще более чувствительными детекторами находится на стадии разработки и строительства, и если темная материя на самом деле состоит из вимпов, то шансы ее обнаружения в ближайшие годы не так уж малы.
Но даже если нам не удастся зафиксировать столкновение вимпа на Земле, существуют и другие способы поиска. Ведь пока одни охотники на вимпы копают под горой, другие смотрят в космос. Чтобы понять, что именно ищут в космосе охотники за темной материей, пора представить новую экзотическую галактику на небе частиц — антивещество.
Антивещество и эквивалентность массы и энергии
Каждой частице в Стандартной модели соответствует своя античастица. Существуют, например, антиэлектроны (известные также под названием позитрон), антикварки и антинейтрино. Стоит только соединить нужные антикварки, как получатся антипротоны и антинейтроны. Из антипротонов и антинейтронов можно сделать антиядра атомов, соорудить антиатомы, антилюдей и так далее. Да в целом для всего, что мы видим вокруг нас, можно сделать антиверсии.
Антивещество — это то же самое, что и обычное вещество или материя, только наоборот. Возьмем, например, позитрон (который можно считать антиэлектроном). Позитрон весит ровно столько же, сколько и электрон (у них одинаковая масса), но отличается знаком электрического заряда. Электрический заряд позитрона настолько же положительный, насколько заряд электрона отрицателен. Есть еще несколько свойств частиц, о которых я не упоминал, но и они будут противоположными. Если сложить позитрон и электрон вместе, у них получится нулевой электрический заряд. И вообще, если совместить частицу с ее античастицей, то их противоположные свойства приведут к тому, что почти все качества, делающие частицу частицей, окажутся на нуле. Вместе они становятся ничем. С одним только исключением: массой. Масса всегда положительна, независимо от того, рассматриваем мы частицы или античастицы. Частица и античастица уничтожают и сводят друг друга на нет. Исчезает все — кроме массы.
А что происходит с массой? Тут в игру вступает самая известная физическая формула, легендарная Е=mc2 Эйнштейна. Формула говорит нам, что энергия и масса — это две стороны одной медали. Здесь Е обозначает энергию, т — массу (то есть то, что мы измеряем в килограммах), а с — скорость света в вакууме. Получается, что массу можно в той или иной форме преобразовать в энергию. А еще формула позволяет точно высчитать, сколько энергии соответствует конкретной массе. Или наоборот: если нам дана энергия, то можно узнать и массу.
 
Скорость света в вакууме — число очень большое. Что уж говорить о скорости света в квадрате. А это значит, что при относительно небольшой массе можно создать огромное количество энергии. Если бы можно было просто преобразовать, например, пятикилограммовый валун в чистую энергию, то эта энергия была бы эквивалентна годовой производительности гидроэлектроэнергии Норвегии.
Вернемся к частицам. Когда частица сталкивается с соответствующей античастицей, обе частицы исчезают. А если по-научному, то происходит аннигиляция. Остается только масса. И как раз эта масса и есть энергия. А вот энергия преобразуется по-разному. Она может, например, стать электромагнитным излучением. И так как даже маленькая масса дает много энергии, электромагнитное излучение будет обладать высокой энергией. Такое излучение называется гамма-излучением. А еще энергия может преобразоваться в новую пару частицы и античастицы, пути которых, возможно, дальше разойдутся.
Может показаться, что антивещество — это пустая теоретическая спекуляция. Но не тут-то было: за антивеществом наблюдали в бесчисленном множестве различных экспериментов с частицами. Мы не замечаем его в повседневной жизни, поскольку частицы антиматерии сразу же натыкаются на частицы обычной материи в этом не приспособленном для них мире и моментально аннигилируют. Но все же антивещество можно создать в мощных столкновениях — в ускорителе заряженных частиц, например. В них можно успеть взглянуть на античастицы до того, как они исчезнут. Антивещество существует: мы его видели. Но жизнь его на напичканной обычной материей Земле беззаботной не назовешь.
А при чем тут вообще темная материя? Ну, смотрите, некоторые частицы сами себе античастицы. Если рассматривать Стандартную модель, то это касается, например, бозона Хиггса, бозона Z и, возможно, нейтрино. Есть причины полагать, что вимпы темной материи тоже будут своими же античастицами. Но как им тогда удается существовать в огромных количествах в космическом пространстве? Дело вот в чем: эти частицы пересекаются настолько редко, что способны прожить миллиарды лет, пока не аннигилируют. Но иногда вимпы, конечно, встречаются, и тогда происходит аннигиляция. А оставшаяся от них энергия сможет преобразоваться в гамма-излучение, например, или электрон и позитрон, а эти частицы мы уже способны увидеть. Вот вам и следы темной материи.
Следы вимпов в космосе
Международная космическая станция парит в 400 километрах над поверхностью Земли, двигаясь со скоростью почти восемь километров в секунду. Это самый большой созданный руками человека объект за пределами атмосферы Земли: по размерам МКС соответствует футбольному полю. Международная космическая станция — совместный проект ряда стран, в том числе США, России и Японии, а также Европейского космического агентства (ЕКА), членом которого является и Норвегия. На МКС работают ученые из всех уголков мира, а потому космическая станция считается символом сотрудничества вопреки культурным и национальным различиям. Но, прежде всего, это исследовательская лаборатория. Здесь проводятся эксперименты, которые невозможно повторить на Земле, — без влияния атмосферы и веса.
Магнитный альфа-спектрометр (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS) — это один из экспериментов на Международной космической станции. Этот прибор размером с автомобиль установлен снаружи станции, а его главная миссия — поиски следов аннигилировавших частиц темной материи. С особым усердием AMS ищет вимпы, превратившиеся вследствие аннигиляции в электроны и позитроны. Из-за того, что позитроны неспособны преодолеть атмосферу Земли, спектрометр и установили в космосе. Войдя в атмосферу, позитроны сталкиваются с электронами, и начинается реакция аннигиляции. А в почти полной пустоте космоса даже таким античастицам, как позитроны, удается проходить большие расстояния не исчезая.