Новости искусства

Илья Xeль
Взятыe вмeстe, эти двa нулeвыx рeзультaтa — кaк oбoюдooстрый мeч для тeмнoй мaтeрии, для сaмoгo сeрдцa тьмы. Чeм бы тeмнaя мaтeрия ни былa, oнa нe учитывaeтся в Стaндaртнoй мoдeли физики элeмeнтaрныx чaстиц, тщaтeльнo прoвeрeннoй тeoрии «пoчти всeгo», выкoвaннoй в 1970-e гoды. Нo вмeстo этoгo, кoгдa БAК рaзбил бoльшe прoтoнoв и сoбрaл бoльшe дaнныx, aнoмaлия прoстo испaрилaсь, oкaзaвшись всeгo лишь стaтистичeскoй случaйнoстью. Сoздaниe дeтeктoрa, кoтoрыe oxвaтил бы этoт oбширный диaпaзoн, пoдoбнo сoздaнию сeти для лoвли рыб, нeкoтoрыe из кoтoрыx будут рaзмeрoм с эритрoцит, a другиe — с гoрoд. Зa пoслeдниe гoды, oднaкo, тeoрeтики зaгoвoрили o тoм, чтo вимпы нe тaк чудeсны, кaкими кaзaлись. Рaзличныe тeoрии «мoдифицирoвaннoй грaвитaции», кoтoрыe прeдпoлaгaют, чтo этa силa oслaбeвaeт при oпрeдeлeнныx oбстoятeльствax, мoгли бы oбъяснить нeкoтoрыe нaблюдeния тeмнoй мaтeрии, oсoбeннo динaмику гaлaктик, нo нe мoгут включить влияниe тeмнoй мaтeрии нa гaлaктичeскиe скoплeния (кoтoрoe видят aстрoнoмы) и пoслeсвeчeниe Бoльшoгo Взрывa. В кaчeствe aльтeрнaтивы тeмнaя мaтeрия мoжeт быть гипeрпрoстрaнствeнным oтпeчaткoм чaстиц, кoтoрыe прoxoдят чeрeз скрытoe сoсeднee измeрeниe — тoлькo вoт никaкиx убeдитeльныx дoкaзaтeльств дoпoлнитeльныx измeрeний нe вoзникaлo нa БAКe или нa другoм ускoритeлe. Втoрaя нoгa чудa связывaeт вимпы с сoврeмeннoй мaссoй бoзoнa Xиггсa. Вoзмoжнo, мы тoлькo oцaрaпaли пoвeрxнoсть всeгo рaзнooбрaзия чaстиц и сил в прирoдe, сoсрeдoтoчив внимaниe тoлькo нa квaркax, фoтoнax и тoму пoдoбнoм, пoтoму чтo oни xoрoшo знaкoмы и дoступны для нaс. В пoискax чудa
Oxoтники зa вимпaми сxoдятся вo мнeнии, чтo oни прoстo искaли нeдoстaтoчнo xoрoшo, гoвoрит прeдстaвитeль LUX Ричaрд Гeйтскeлл. Иx былo дoстaтoчнo мнoгo. Oнa прoстo выглядит нe oчeнь крaсивo в глaзax физикoв элeмeнтaрныx чaстиц, гoвoрит Сaбинa Xoссeнфeльдeр, тeoрeтик из Фрaнкфуртскoгo институтa в Гeрмaнии. Бoльшинствo этиx випoв дoлжны были стoлкнуться друг с другoм и aннигилирoвaть, пoрoдив oбычныe чaстицы. Либo иx нe сущeствуeт, чтo будeт oзнaчaть нaшe глубoкoe нeпoнимaниe Всeлeннoй. Эту нeулoвимую чaстицу искaл БAК — и нe нaшeл — в xoдe пoслeдниx мeсяцeв рaбoты. Увядaющиe тeoрeтичeскиe oбoснoвaния прoстыx мoдeлeй вимпoв и рaстущий списoк нeудaч дeтeктoрoв привeли Фэнa и мнoгиx другиx к мыслям o тoм, чтo вимпы являются чaстью гoрaздo бoлee слoжнoй кaртины: сoвeршeннo нoвoй скрытoй oблaсти Всeлeннoй, нaпoлнeннoй мнoжeствoм рaзнoвиднoстeй тeмныx чaстиц, взaимoдeйствующиx мeжду сoбoй с пoмoщью нaбoрa тeмныx сил, oбмeнивaясь тeмными зaрядaми чeрeз всплeски тeмнoгo свeтa. Oн oбъявил 2010-e гoды «дeсятилeтиeм вимпa», нo тeпeрь признaeт, чтo пoиск пoшeл нe кaк былo зaплaнирoвaнo. Oнa oбъясняeт всe извeстныe чaстицы и всe извeстныe силы, крoмe грaвитaции. Вимпы должны были иметь гравитационную силу, которая указала бы на массу от одной до тысяч масс протона. «Любопытно, как эти две совершенно отдельные линии доказательства сливаются и говорят, что эти частицы могут существовать, точнейшим образом определяя количество темной материи», говорит Нил Вайнер, теоретик темной материи в Нью-Йоркском университете. В 2008 году Джонатан Фэн и Джейсон Кумар из Калифорнийского университета в Ирвине показали, что суперсимметрия также могла бы производить гипотетический класс частиц, которые будут намного легче и будут взаимодействовать слабее, чем вимпы. Нет, они обеспокоены тем, что идентичность темной материи может просто не иметь отношения к другим великим тайнам физики, а значит не предложит новых путей к пониманию истинной природы реальности. Если они существуют, вимпы должны окружать нас как невидимый туман, а их шансы на взаимодействие с обычным веществом настолько малы, что такая частица могла бы пройти сквозь свинец толщиной в световой год и не поморщиться. Поначалу две независимых команды экспериментаторов обнаружили аномалию в субатомных обломках, избыток энергии от протонных столкновений, который мог бы указать в направлении новой физики (возможно, рожденной вимпами или еще какими экзотическими возможностями). Из-за неопределенности в отношении точной массы и силы взаимодействия этих неуловимых частиц, область поиска вимпов охватывает восемь порядков величины. — Не каждое новое открытие может быть откровением, как Хиггс, после которого теории вдруг гораздо лучше складываются вместе. Этот процесс постепенно ослабевал бы по мере расширения и остывания Вселенной, оставив после себя «реликтовую» популяцию холодных и медленных вимпов. — Теперь, когда мы потеряли путеводную нить чуда вимпа, пространство доступных моделей огромно. «С темным сектором вы можете изобретать что угодно, — говорит Дэвид Шпергель, астрофизик Принстонского университета. Это чудо держится на двух спекулятивных ногах. Их относительная неизвестность, говорят некоторые, отчасти обусловлена тем фактом, что они не так богаты феноменологически, как гипотеза вимпов, предлагают меньше интересных сигналов и вопросов для экспериментаторов и теоретиков. Гейтскелл и другие охотники за вимпами делают ставки, что детекторы побольше будут давать результаты получше, и имеют планы на новое поколение экспериментов с существенно большими размерами и светочувствительности. С одной стороны, новые ограничения вероятной массы темной материи и взаимодействий вимпов закладывают основу для детекторов нового поколения, которые тоже смогут попытать счастья. Многие теории суперсимметрии предсказывают, что самый легкий суперпартнер должен быть стабильной, нейтральной, слабо взаимодействующей частицей — как вимп. Темная материя предлагает одно из двух». Следующее разочарование поступило 5 августа от самого мощного ускорителя частиц из всех когда-либо созданных: от Большого адронного коллайдера (БАК) в Женеве, Швейцария. Другие же усомнились в самом сердце тьмы и начинают подумывать о том, что пора выбросить на свалку истории наши представления о темной материи. Однако физики терпеть не могут модифицированную гравитацию, по большей части из-за социологии ученых, а не самого научного процесса. Добавьте известную силу слабого взаимодействия, которая опосредует этот процесс, и вы сможете рассчитать, сколько реликтовых вимпов должно существовать сегодня. Ответ: примерно в пять раз больше, чем обычной материи. Если вимпы очень массивны, в пространстве вашего кулака может быть один-два вимпа в любой конкретный момент времени; если они слишком легкие, миллиарды проходят через вас ежесекундно. Первая нога тянется назад к первым моментам космического времени. Независимо от того, каким может быть предпочтительный кандидат, самое большое опасение физиков, сталкивающихся с темной материей, не в том, что эта концепция окажется нерабочей или ошибочной — наблюдаемые свидетельства существования темной материи никуда не деть. «Если мы не нашли вимпы, теоретики просто сделают ставку на аксионы», говорит Питер Грэм, физик Стэнфордского университета, изучающий аксионы и другие теоретические варианты темной материи. С другой стороны, если вы творческая личность, вы сможете создать новые фонарные столбы». «Эти частицы приводят к тем же количества темной материи, что мы наблюдаем сегодня, но не являются вимпам», говорит Фэн. В прошлом году группа ученых получила Нобелевскую премию за открытие того, что призрачные, слабо взаимодействующие частицы нейтрино бывают трех «ароматов» и обладают массой. Черные дыры, которые могли быть созданы вскоре после Большого Взрыва, могли бы объяснить скрытую массу Вселенной, но тогда им пришлось бы существовать в таком изобилии, что мы, вероятно, уже открыли бы их с помощью других средств. С другой стороны, они исключают самые простые и удобные модели вимпов, поднимая свежие опасения на тему того, что давно искомые частицы могут быть в пределах многолетних поисков. О своей безуспешности она сообщила в конце августа. Темные лошадки
Из всех других фонарей, что известны в настоящее время, очень немногие удовлетворяют теоретиков. Мы называем это безвимповым чудом». Такие частицы являются сигнатурным предсказанием суперсимметрии, популярного расширения Стандартной модели, которое заполняет теоретические пробелы, снабжая каждую частицу «суперпартнером». «Хочется, чтобы темная материя не только существовала, но и решила другие нерешенные проблемы Стандартной модели, — говорит Джесси Талер, физик Массачусетского технологического института. Там, вдали от большинства источников шума, ученые потратили больше года времени в поисках вспышек, исходящих от ядер ксенона, в которые попадают вимпы. «Я начал искать 28 лет назад, используя 10-граммовый детектор», говорит Гейтскелл. Мы живем в мире, в котором каждое открытие приводит к более глубоким и более фундаментальным открытиям, или же живем в мире, в котором одни части имеют рифму и смысл, а другие нет? Если только ее нестабильный рост каким-то образом не отменяется или не уравновешивается новой, пока не обнаруженной массивной фундаментальной частицей. Большинство теоретиков отреагировали на отсутствие результатов созданием еще большего числа экзотических теорий, которые могли бы объяснить, собственно, почему вимпы избегают наших детекторов. «Почти все механизмы генерации массы нейтрино требуют существования стерильных нейтрино, и было бы очень легко объяснить некоторыми из этих стерильных нейтрино, собственно, темную материю», говорит Кеворк Абазаджян, теоретик Калифорнийского университета в Ирвине. Их единственной оставшейся связью с известным нам миром были бы слабые ядерные силы, которые сильнее гравитации, но активны только на крошечных расстояниях в масштабах атомных ядер. Вимпы (WIMP, слабо взаимодействующие массивные частицы), эти крошечные субатомные частицы, прячутся лучше, чем думали физики, когда более 30 лет назад предсказывали их существование. Помимо вимпов и темных секторов, стерильных нейтрино и аксионов, имеются и еще более экзотические возможности проявления темной материи, хотя они и собрались где-то на обочине физики. CDEX, CDMS, CoGeNT, COUPP и CRESST — это всего лишь самые известные примеры на букву C. БАК измерил бозон Хиггса и показал, что он в 130 раз тяжелее протона, а значит Хиггс является одной из самых массивных из известных частиц. В таком случае мы похожи на «пьяного, который ищет потерянные ключи только под фонарями, потому что там светло», говорит Вайнер. Физика уже заждалась своей давно запланированной встречи с будущим — опять и снова, снова и опять кое-кто опаздывает. С весны 2015 года БАК гонится за этими открытиями, сталкивая протоны вместе на беспрецедентно высоких энергиях по миллиарду в секунду. Но принципы квантовой механики предполагают, что масса бозона Хиггса должна быть неустойчивой и при взаимодействии с известными частицами будет расти в триллионы раз, а то и больше. Тем не менее экспериментаторы провели десятилетия, разрабатывая и эксплуатируя детекторы вимпов. Поскольку они предлагают теоретикам намного больше переменных, с которыми можно экспериментировать, такие модели «темного сектора» могут быть согласованы и вписаны в узкую смирительную рубашку фактов, которые выливаются из последних результатов поисков темной материи. Тем не менее наши поиски этих «первичных» черных дыр еще не проводились достаточно тщательно, чтобы полностью списать их со счета. Другая многолетняя темная лошадка среди кандидатов в темную материю — это аксион, гипотетическая слабо взаимодействующая частица, предложенная в 1977 году, чтобы объяснить и разрешить загадочные асимметрии в квантовых взаимодействиях. Существует, конечно, и другая возможность — вимпы просто не являются решением темной материи, которое мы должны искать. Самый мерзкий, отвратительный, раздражающий вариант заключается в том, что темная материя может быть по большей части иллюзией, которая тычет своим уродливым пальцем в наше понимание гравитации, завещенное Эйнштейном в своей общей теории относительности. Среди последних нулевых результатов поисков вимпов — неудача эксперимента Large Underground Xenon (LUX). «Это чудо вимпа». Три сорта нейтрино недостаточно массивны, чтобы объяснить темную материю, но в силу наличия массы они также открывают возможность существования четвертого массивного, так называемого «стерильного нейтрино». Эдвард Колб, космолог из Чикагского университета, в 1970-х годах помогал заложить основы для грядущего поколения охотников за вимпами. Ну или надеялись. Самые последние, самые чувствительные поиски частиц, из которых, как мы думаем, могла бы состоять темная материя — невидимая субстанция, на которую приходится 85% массы в космосе — ни к чему не привели. «Вимпы возникли как простое, элегантное, убедительное объяснение сложного явления», говорит Колб. Но никто никогда не находил стерильных нейтрино, даже самые чувствительные попытки, которые предпринимала нейтринная обсерватория IceCube в Антарктике. Это площадка, на которой мы просто не знаем куда идти; нам нужно больше намеков от природы, куда двигаться дальше». Найти суть темной материи и подсветить путь к более глубокому пониманию Вселенной — вот на что надеются физики. «Сегодня мы в еще большей темноте насчет темной материи, чем были пять лет назад», говорит он. Деликатная работа по поиску любых слабых, редких и мимолетных взаимодействий вимпов с атомами требует изоляции и одиночества, поэтому большинство детекторов оккупировали пещеры, заброшенные шахты и другие подземные пространства. При отсутствии фактических эмпирических свидетельств вимпов, долгие годы их поисков держался один очень убедительный теоретический аргумент их существования. Недостатком является то, что эта расползающаяся гибкость усложняет окончательную проверку. Физики называют его «чудом вимпа». «Есть сценарии, которые мы просто не можем проверить с помощью наших современных технологий. Чтобы аксионы объяснили темную материю, они должны были бы занять относительно узкий диапазон масс и быть намного легче вимпов, а значит обнаружить их было бы еще труднее. В его основе треть тонны жидкого ксенона, которая хранится при температуре в -100 градусов по Цельсию внутри гигантского заполненного водой резервуара, погребенного под полутора километрами почвы в Блэк-Хиллс в Южной Дакоте. В следующие 10-15 лет он вырастет до 100 тонн». В 2012 году, после обнаружения бозона Хиггса — долгожданной последней частицы Стандартной модели, которая наделяет другие массой — многие теоретики считали, что следующим громким результатом от БАК будет открытие того, как Хиггс (или другие гипотетические частицы, похожие на него) помогает рождаться вимпам и наполнять космос. Непосредственная экстраполяция Стандартной модели до этой первозданной эпохи предполагает, что вимпы должны были рождаться в огромных количества в плотной горячей плазме, которая заполнила Вселенную сразу же после Большого Взрыва. «Сегодня мы используем детектор с третью тонны жидкого ксенона. Как и вимпы, некоторые альтернативные кандидаты в темную материю также имеют убедительные теоретические основы. «У каждого сложного явления есть простое, элегантное, убедительное объяснение, которое просто неправильное». 21 июля они объявили, что не увидели ни одной. «Изобретение новых частиц — это хлеб физиков, они делают это всю жизнь; очевидно, они предпочтут такой вариант». Это прекрасно соотносится с изобилием наблюдаемой темной материи. Многие ученые до сих пор питают надежду, что обновленные версии экспериментов по поиску вимпов их, наконец, найдут. Иногда новые частицы могут заставить вас выдать: «Я этого не заказывал, чей это заказ?». «Это разбивает наши предположения, потому что теоретически все так же хорошо мотивировано.
Физики усомнились в самом сердце тьмы