Что если мы никогда не найдём тёмную материю?

Большая часть той материи, из которой состоит Вселенная, является невидимой. Можно измерять тяготение (гравитационное воздействие) этой тёмной материи на орбитах звёзд и галактик. Заметно, как она искривляет проходящий мимо неё свет, а также мы можем фиксировать воздействие тёмной материи на реликтовое излучение, оставшееся от первобытной плазмы, существовавшей непосредственно после Большого Взрыва. Эти сигналы измерены с исключительной точностью. Есть все основания полагать, что тёмная материя повсюду. Но нам по-прежнему неизвестно, что она собой представляет.

Вот уже в течение целых десятилетий мы пытаемся обнаружить тёмную материю в ходе экспериментов — и всё безрезультатно. Может быть, мы уже накануне её открытия. Но столь долгое ожидание заставляет искателей тёмной материи задумываться, а вдруг мы ищем её не там и притом неправильно. Многие серьёзные эксперименты были сосредоточены на поиске относительно немногочисленных возможных ипостасей тёмной материи — таких, открытие которых позволило бы попутно решить и многие физические проблемы. Однако, до сих пор нет никаких гарантий, что эти прочие загадки и наши мытарства с поисками тёмной материи вообще как-то связаны. Физики всё явственнее признают, что, возможно, поискать и более широкий спектр вероятных объяснений. Масштаб этой проблемы одновременно устрашает и воодушевляет.

В то же время, никуда не деться и от такой печальной идеи, что нам, возможно, вообще не удастся докопаться до сути тёмной материи и её природы. Когда охота за тёмной материей только начиналась, такая точка зрения казалась абсурдной. У нас есть множество хороших теорий и масса вариантов их экспериментальной проверки. Но лёгкие пути уже в основном исхожены, и тёмная материя оказалась куда более таинственной, чем мы даже могли представить. Вполне реалистична такая версия: тёмная материя в силу своих свойств не поддаётся обнаружению в современных экспериментах, или же вообще не взаимодействует с обычной материей. Если не контактирует с обычными атомами никак иначе кроме как через гравитационное взаимодействие, то обнаружить её лабораторными методами будет почти невозможно. В таком случае всё равно сохраняется надежда что-то узнать о тёмной материи, картировав её распространение во всей Вселенной. Но также остаётся вероятность, что тёмная материя окажется настолько неуловимой, что истинную её природу нам никогда понять не удастся.

Однажды тёплым летним вечером в августе 2022 года мы собрались компанией коллег-физиков за столом в Вашингтонском университете. Мы планировали обсудить кульминацию «процесса Snowmass» — годичного исследования, которое каждые десять лет проводится физическим сообществом США с целью согласовать исследовательские приоритеты на ближайшее будущее. Нам было поручено резюмировать, какой прогресс достигнут в поисках тёмной материи, и каков потенциал этих поисков. Ничего весёлого, если тебе предстоит описать безграничный разброс вариантов, способных объяснить природу тёмной материи, плюс множество существующих идей, претендующих на такое объяснение.

Сейчас мы достигли совершенно особенного момента в погоне за тёмной материей. Начиная с 1990-х тысячи исследователей провели исчерпывающий поиск таких частиц, из которых могла бы состоять тёмная материя. К настоящему времени исключены многие простейшие и очевидные возможности. Тем не менее, большинство физиков по-прежнему убеждены, что тёмная материя прямо у нас под боком, и это какая-то своеобразная форма вещества.

Если допустить, что тёмной материи во Вселенной просто не существует, это потребовало бы радикально скорректировать законы тяготения в том виде, как мы их сегодня понимаем —а сегодня они базируются на общей теории относительности Эйнштейна. Кажется, что исключительно сложно обновить эту теорию так, чтобы она работала и без участия тёмной материи. Для этого потребовалось бы либо исправить уравнения общей теории относительности (сохранив в общем виде её современный аппарат), либо ввести какую-то новую парадигму, которая полностью заменит теорию относительности.

Такие изменения должны были бы согласовываться с эффектами тёмной материи в системах астрофизического масштаба — от гигантских галактических скоплений до самых мелких галактик-спутников, сопровождающих Млечный Путь. Иными словами, они должны быть применимы в колоссальных масштабах как в пространстве, так и во времени и не противоречить огромному множеству других точных измерений, накопленных нами и объясняющих действие гравитации. Также эти нововведения должны объяснять, следующий феномен: если тёмная материя — это просто один из аспектов тяготения, которое, как принято полагать, присуще любой материи — то почему не во всех галактиках и скоплениях, согласно имеющимся данным, присутствует тёмная материя. Более того, даже самые изощрённые попытки сформулировать самосогласованные теории модифицированной гравитации так, чтобы избавиться от тёмной материи всё равно приводят к привлечению того или иного аналога тёмной материи. Приходится чем-то объяснять ту рябь, которая наблюдается на фоне реликтового излучения — далёкого отсвета большого взрыва.

Напротив, постулировать существование материи нового типа, которая просто не взаимодействует со светом — относительно простая идея. На самом деле, материя такого рода уже известна: это нейтрино. Нейтрино — почти безмассовые частицы, повсеместно распространённые во Вселенной, но практически не взаимодействующие с прочей материей. Но дело в том, что нам уже известно — нейтрино просто слишком мало, чтобы рассматривать их на роль кандидата в тёмную материю. В лучшем случае, на нейтрино может приходиться 1% этой скрытой массы.

Что же насчёт остальных 99%? Может ли тёмная материя быть лишь верхушкой айсберга, под которой таятся новые открытия, может ли она выдавать существование одной или нескольких разновидностей новых частиц, которые не вписываются в современную Стандартную Модель? Может ли тёмная материя поддаваться иным силам, не затрагивающим известные нам частицы (аналогично тому как сама тёмная материя, по-видимому, не реагирует на электромагнитные воздействия), либо может ли она быть связана с новыми фундаментальными законами природы? Может ли тёмная материя помочь с разгадкой самых неподатливых тайн, скрытых в физике досконально измеренной Стандартной Модели, либо пролить свет на самые первые моменты в истории Вселенной? Прямо сейчас на все эти вопросы можно ответить уверенным «может быть», но потенциал, который может скрываться в этом открытии, стимулирует нас продолжать поиски.

 Два самых популярных кандидата на роль составляющих тёмной материи — это слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP) и аксионы — частицы, известные из квантовой хромодинамики (КХД). Именно под влиянием этих идей оформились теоретические представления о тёмной материи, эти же идеи вдохновили множество экспериментов, направленных на поиск тёмной материи.

WIMP-ы — это гипотетические стабильные частицы, сравнимые по массе с частицами из Стандартной модели. Масса протона чуть меньше 1 ГэВ/c², а большинство проектов по поиску WIMP были сосредоточены в диапазоне масс от 10 до 1000 ГэВ/c². (В физике частиц считается удобным измерять массу в единицах энергии, пользуясь эйнштейновским уравнением E = mc2.) Согласно устоявшимся представлениям, WIMP — это новая частица, непосредственно взаимодействующая с бозонами W и Z, которые, как известно, являются носителями слабого ядерного взаимодействия (отсюда «W» в WIMP). Такие частицы органично вписываются в модели суперсимметрии, где у каждой частицы существует более тяжёлая парная частица, именуемая «суперпартнёр». Примерно полтора десятка лет назад всё физическое сообщество надеялось, что суперпартнёры будут открыты на Большом Адронном Коллайдере близ Женевы — но тщетно. Если суперсимметрия и существует, то суперпартнёры должны быть тяжелее, чем изначально ожидалось. Более того, хотя во многих теориях суперсимметрии и прогнозируется тёмная материя, состоящая из WIMP-частиц, в обратную сторону эта гипотеза не работает; WIMP — реалистичные кандидаты на роль тёмной материи даже в такой вселенной, где суперсимметрии нет.

Теории о тёмной материи

Каждый из цветных контуров на следующей схеме соответствует целому классу теорий. Участки контура, отсечённые белой прерывистой линией — это версии и теории, которые согласуются с имеющимися наблюдениями, а выходящие за рамки этой линии — нет.

Одна из причин, по которым идея WIMP так симпатична многим физикам — в том, что на них пришлось бы именно столько тёмной материи, сколько мы наблюдаем во Вселенной. Следуя такой логике, когда космос был гораздо более плотным, компактным и разогретым, даже слабого взаимодействия хватало на синтез WIMP-ов при соударении других (известных) частиц. Происходила и схожая обратная реакция: WIMP-ы сталкивались, и от этих взаимодействий возникали обычные частицы. Если бы исходно при Большом Взрыве не возникло WIMP-ов, то они сформировались бы от взаимодействий обычных частиц. При столкновениях WIMP-ов из их энергии возникали обычные частицы, а самих WIMP-ов осталось совсем мало, поскольку в основном они разрушились. Если бы WIMP имел примерно такую же массу, как и бозон Хиггса, то из WIMP-ов сложилось бы как раз искомое количество тёмной материи. Этот механизм прост и привлекателен.  

WIMP-ы нравятся многим экспериментаторам, поскольку должны существенно взаимодействовать с известными частицами. Именно так из них и складывается «нужное» количество тёмной материи. Предпринимались три основных варианта поиска WIMP-ов: 1) эксперименты в ускорителях, где планируется воссоздать условия, сложившиеся во Вселенной на заре её существования — когда при столкновениях частиц из Стандартной Модели образовывалась тёмная материя; 2) эксперименты прямого обнаружения, при которых применяются сверхчувствительные детекторы, призванные продемонстрировать, как видимые частицы «отскакивают» при соударениях с частицами тёмной материи; 3)    косвенное обнаружение. В последнем случае мы смотрим в телескопы и ищем знакомые частицы, рождающиеся при соударениях аннигилирующих частиц тёмной материи. Третий подход как раз позволяет проверить именно те разрушающие процессы, от которых должна зависеть современная концентрация WIMP-ов во Вселенной. Соответственно, если сегодня эти реакции протекают точно так же, как протекали в ранней Вселенной, то мы сможем уверенно спрогнозировать их частоту. Что касается первых двух подходов, их прогнозы не столь чёткие. В опытах на ускорителях наша способность обнаруживать WIMP-ы зависит от того, насколько тяжелы эти частицы. На генерацию сравнительно массивных WIMP-ов может требоваться больше энергии, чем способен дать ускоритель. При прямом обнаружении мы не знаем, как часто происходят столкновения WIMP-ов с обычными частицами.

При астрофизических наблюдениях, направленных на косвенное обнаружение, было зафиксировано несколько сигналов, которые могут свидетельствовать об аннигиляции тёмной материи, но для них есть и более прозаические объяснения. Например, превышение ГэВ в центре галактики — это свет в гамма-диапазоне, льющийся из центра Млечного Пути. Его частота и энергия именно таковы, какими должен обладать сигнал от аннигиляции WIMP-ов. Это явление открыли в 2009 году, так почему же никто не провозгласил победу? К сожалению, известны вращающиеся нейтронные звёзды, которые могут излучать в гамма-диапазоне примерно при таких же энергиях, поэтому вполне возможно, что наблюдаемое превышение ГэВ – это первый признак нового поколения (населения) таких звёзд. Остаётся надеяться, что этот вопрос будет решён в ближайшие годы: если бы аналогичный сигнал удалось зафиксировать в ускорителе или методом прямого обнаружения, это подкрепило бы интерпретацию, связанную с тёмной материей. С другой стороны, открыв в том же регионе излучение нейтронных звёзд в других спектрах, вариант с тёмной материей можно было бы исключить. 

Примерно в течение ближайшего десятилетия планируется ввести в эксплуатацию телескопы, которые будут работать в гамма-диапазоне (например, массив черенковских телескопов , возводимый в Чили и в Испании, а также Южная гамма-обсерватория с широким полем обзора, площадка для которой пока подыскивается в Южной Америке). Эти телескопы позволили бы проверить WIMP-механизм генерации тёмной материи до верхней теоретически представимой массы таких частиц. Если же и на этих телескопах наблюдать аннигиляцию тёмной материи не удастся, то всё равно сохранятся лазейки, позволяющие спасти WIMP-теорию. Существуют модели, согласно которым тот механизм аннигиляции, который обеспечил появление WIMP-ов в ранней Вселенной, к нашему времени уже отключился. Но даже в такой ситуации остаётся возможность, что WIMP-ы проявятся в экспериментах на ускорителях, либо будут зафиксированы при прямых наблюдениях.

Если поставить вопрос «Что может представлять собой тёмная материя?» — оказывается, что возможных ответов просто необозримо много

В экспериментах по прямому обнаружению удалось добиться замечательного прогресса в повышении чувствительности к редким событиям. В течение ближайших 10 лет может быть разработано следующее поколение экспериментов, разрешающая способность которых позволит обнаруживать отдельные нейтрино, текущие от Солнца и попадающие в детектор. Пока этот момент не наступил, представляется, что нет никаких неизвестных процессов, которые могли бы маскировать существование тёмной материи. Кроме того, на пути не просматривается никаких непреодолимых технических сложностей. По-прежнему существует достаточно много простых моделей WIMP, которые могут проявиться в этом диапазоне.

Аксион из КХД — это кандидат на роль тёмной материи совершенно иного типа, и до самого недавнего времени у нас в распоряжении не было аналогичных методов, которые позволяли бы проверить его существование. Аксион, подобно WIMP, был бы новой фундаментальной частицей, но гораздо более миниатюрной. Аксионы гораздо легче всех известных частиц, даже нейтрино. Если эти частицы существуют — безотносительно того, из них ли состоит тёмная материя — то они бы могли помочь разгадать давние загадки о природе сильного взаимодействия, благодаря которому удерживаются в целости атомные ядра. Кроме того, аксионные теории дают конкретные прогнозы: зная массу аксиона, можно определить, насколько сильно он взаимодействует с известными частицами. К сожалению, эти взаимодействия зависят от массы аксиона, и, если аксионы совсем легки, то и эти взаимодействия могут оказаться исключительно слабыми.

Тем не менее, эффект от аксионных взаимодействий может быть поразительным, поскольку, если именно на них приходится тёмная материя, то аксионы должны быть столь многочисленны, что проявляться будут как волны, а не как дискретные частицы. Согласно квантовой механике, каждая фундаментальная частица может существовать и в виде волны, причём, присущая этой волне длина обратно пропорциональна массе частицы. В масштабах короче этой волны классическое представление частицы не существует. Аксионы, в свою очередь, настолько лёгкие, что подобные волновые эффекты должны наблюдаться в масштабах, типичных для обычного лабораторного эксперимента на Земле. 

Поскольку считается, что хромодинамические аксионы должны взаимодействовать с обычной материей очень слабо, эксперименты по их поиску совсем немногочисленны, и искали аксионы лишь на малом участке того диапазона масс, в котором они могут существовать. Правда, уже имеются новые стратегии обнаружения и квантовые сенсоры, открывающие простор для охоты на аксионы в диапазоне, охватывающем многие порядки масс. В новейшей версии долгоиграющего эксперимента ADMX-­G2 применяются сверхчувствительные датчики, а в то же время готовятся и другие проекты, например,  DMRadio, которые позволят серьёзно расширить поле поиска.

В течение следующего десятилетия планируются захватывающие экспериментальные проекты, направленные на поиск WIMP-ов и КХД-аксионов и впервые охватывающие столь большой разброс значений их потенциально возможных естественных масс. Теоретическая база под эту работу уже подведена, эксперименты спланированы. Пока этим можно удовлетвориться — весьма вероятно, что эти стратегии дадут нам какое-то решение.

Но… как ни красивы идеи, описывающие WIMP и аксионы, совершенно не гарантированно, что Вселенная разделяет наши эстетические предпочтения. И если задаться вопросом «что может представлять собой тёмная материя»? — оказывается, что разброс возможных ответов почти безграничен.

Существует целое пространство теорий, призванных объяснить все те явления во Вселенной, источником которых считается тёмная материя. Но каждая из теорий предполагает свои частицы и взаимодействия. Теоретики тщательно расчертили, какие идеи можно считать работоспособными, а какие точно не согласуются с наблюдениями. Многие жизнеспособные гипотезы удивительно не похожи ни на WIMP-овую, ни на аксионную. Например, существуют гипотезы о массивных составных объектах, которые складываются из совсем крошечных составляющих — подобно тёмным атомам, состоящим из тёмных элементарных частиц.

Существует нижний предел размера для таких потенциальных частиц тёмной материи. Если они гораздо легче аксионов — и, скажем, примерно на 25 порядков легче электронов — то длина их волн может быть сопоставима по размеру со звёздными скоплениями или небольшими галактиками. Если бы так и было, то распределение тёмной материи и её гравитационный след существенно отличались бы от имеющихся наблюдений.

Что насчёт противоположного предела возможных масс? Мельчайшие сгустки тёмной материи, которые мы можем непосредственно наблюдать, оказываются в десятки миллионов раз тяжелее Солнца. Отдельные частицы тёмной материи должны быть легче, но насколько? Если тёмная материя состоит из плотных неизлучающих объектов, которые зачастую именуются массивными компактными объектами галактического гало (MACHO), то их гравитация должна была бы не только отклонять свет, но и провоцировать видимые разрушения, когда такие тела проносятся через галактику.  MACHO могут быть подобны крошечным чёрным дырам, сформировавшимся в первые секунды после Большого Взрыва. Эти чёрные дыры образовывались бы не из звёзд, поскольку тёмная материя древнее звёзд, причём, каждая из таких чёрных дыр была бы гораздо легче Солнца. Единственный вариант, при котором на эти чёрные дыры можно было бы списать всю тёмную материю, предполагает, что они должны быть сравнимы по массе с известными нам астероидами, то есть от 100 миллиардов до 100 000 триллионов тонн. В таком случае, каждая из таких дыр в отдельности весила бы примерно в тысячу раз меньше длины и на 75 порядков больше, чем мельчайшие возможные частицы тёмной материи. Для сравнения: соотношение между радиусом наблюдаемой части Вселенной и радиусом протона составляет всего около 41 порядка. Поле для поисков огромное.

В огромном пространстве между двумя этими пределами возможностей не много, а очень много. Тот процесс, который мог бы породить WIMP-ы на заре существования Вселенной, породил бы и множество других частиц. Если частицы тёмной материи легче протонов и образуются именно по такому принципу, то WIMP может быть всего лишь одной из многих частиц, занимающих «тёмный сектор» физики. Прочие подобные частицы должны быть нестабильными, поэтому в космосе их будет очень мало. Но они должны проявляться в ускорителях частиц, в особенности, если они очень лёгкие. Лёгкая тёмная материя и тёмные сектора физики также могли бы существовать и без привязки к WIMP, всё равно породив при этом достаточное количество тёмной материи. Ещё раз подчеркнём, что существуют мириады возможностей, которые позволили бы тёмной материи появиться в наблюдаемом количестве.

Если тёмный сектор физики действительно существует, то нужно разработать новые экспериментальные методы, которые позволят его найти. Например, чувствительность классических WIMP-детекторов падает в случае, если частицы тёмной материи гораздо легче атомного ядра, поскольку такие детекторы должны фиксировать сильный «прилёт» тёмной частицы по атомному ядру. Новые технологии могли бы позволить искать признаки таких «прилётов» по электронам, которые примерно в 2000 раз легче протонов. Можно изобрести ещё более креативные эксперименты, при которых фиксировался бы перенос крошечных доз энергии от тёмной материи к обычным частицам. В этом могут помочь недавно изобретённые ультрачувствительные квантовые сенсоры.

Единственный способ что-то найти в таком огромном пространстве вариантов – разрабатывать множество мелких экспериментов, каждый из которых будет настроен на поиск специфического типа тёмной материи, а не сосредотачивать силы всего на нескольких огромных проектах. Эти мелкие эксперименты помогут нам изобрести новые технологии и опробовать свежие идеи. Если одна из этих стратегий окажется достаточно мощной или даст наводку на какие-то первые признаки тёмной материи, то затем именно это направление поисков можно будет нарастить.

Попытки косвенного обнаружения тёмной материи в космосе уже охватывают обширный диапазон энергетических уровней. Если тёмная материя медленно распадается, превращаясь при этом в видимые частицы, и срок её жизни примерно в миллиард раз превышает нынешний возраст Вселенной, то мы должны заметить это, зафиксировав частицы тёмной материи с самой разной массой. Такими методами можно поискать, например, первичные чёрные дыры. Так мы узнаем, что, если чёрные дыры состоят из тёмной материи, то каждая из них не может быть легче 100 миллиардов тонн (более лёгкие чёрные дыры к настоящему времени уже распались бы).

Причём, даже не обнаружив сигнала от тёмной материи, мы продолжим её изучать, картируя её гравитационные эффекты в космосе. Современные и разрабатываемые сейчас приборы позволят измерить распределение звёзд и далёких галактик с невероятной точностью и глубиной. Развитие точной космологии и искусственного интеллекта помогут нам выжать максимум информации из этих данных. Такие наблюдения могут дать новые подсказки о фундаментальной природе тёмной материи, которые дополнят наши лабораторные изыскания.

После всех дискуссий в клубе Snowmass физическое сообщество избрало взвешенный подход. Решили углубиться в исследование излюбленных теорий тёмной материи, но одновременно запустить и более обширные, но неглубокие поиски, чтобы охватить максимум доступных возможностей.

Если нам повезёт, то в одном из экспериментов тёмная материя будет явственно обнаружена. Это сразу приведёт к смене парадигмы. Широкие и разнообразные поиски сведутся к анализу именно этого сигнала, и будущие эксперименты будут планироваться так, чтобы лучше понять именно его. Это открытие также подскажет теоретикам, как правильно изучать общую картину, и как увязать тёмную материю с прочим зоопарком уже известных нам частиц.

Но что, если ни в одном из этих экспериментов сигнал уловить не получится? Пожалуй, на следующем заседании Snowmass, до которого остаётся около десяти лет, физикам придётся исходить из нулевых результатов, но всё равно намечать направления для новых поисков. Конечно же, такой результат нас разочарует, но в данном случае и он будет большим достижением. Наука развивается шаг за шагом, и результаты, отсекающие некоторое поле поиска как бесплодное, не менее важны, чем результаты, подтверждающие правильность определённой идеи. Если удастся с уверенностью спрогнозировать, что может представлять собой тёмная материя, то ответ уже будет известен, и последующая работа станет гораздо менее интересной. Пусть мы и не можем с уверенностью сказать, будет ли когда-либо открыта тёмная материя, нам известно, что Вселенная полна ею. Смотрим в будущее с оптимизмом и надеемся, что эти поиски приведут нас к более содержательным находкам.