24.12.2024. - Как ученые ищут темную материю

Как ученые ищут темную материю

В физике элементарных частиц нерешенных проблем едва ли не больше, чем решенных, несмотря на технологический прогресс. Две главные из них — темная материя (пожалуй, главная космическая загадка современности) и нейтринные осцилляции, за которые дали Нобелевскую премию в 2015 году. Как наука продвинулась в понимании этих явлений? На какие эксперименты ближайшего будущего теоретики возлагают наибольшие надежды? На эти вопросы отвечает Дмитрий Горбунов, профессор кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии МФТИ и главный научный сотрудник отдела теоретической физики ИЯИ РАН.

— Дмитрий, вы известны как специалист в теоретической космологии. Звучит столь же красиво, сколь сложно. Что вас привело в эту область?

— Давайте начну издалека. Есть наблюдения, которые не укладываются в стандартную модель физики элементарных частиц. Например, мы состоим из материи, но антиматерии вокруг нас нет — как так произошло? И подобных указаний на то, что физика, которую мы знаем, неполна, очень много. Чтобы их объяснить, мы должны обобщить стандартную модель — предложить решение, которое, с одной стороны, покажет, почему то, что у нас было раньше, плохо, а с другой — не будет противоречить научным результатам, которые мы получаем в реальности.

Я исходил именно из этого. Для меня космология — это поле, где я могу свою фантазию использовать для того, чтобы что-то объяснить или что-то проверить.

— А если сделать шаг назад и вернуться в школу — вряд ли же вы тогда думали о физике элементарных частиц?

— Мне нравилась физика, но какой областью в конце концов буду заниматься я сам, мне тогда, конечно, не было известно. Единственное, что я понимал, что теоретические изыскания мне даются лучше, чем экспериментальные. В школе были практические лабораторные работы, и у меня получалось не очень — на бумажке все выходило гораздо лучше.

Но вместе с тем мне нравились и другие предметы. Особенно история — я даже думал пойти на истфак. Поэтому не могу сказать, что только взял погремушку, как сразу решил, что буду физиком.

— О космосе не мечтали?

— Нет. Космонавтом я не хотел быть, и сейчас, если честно, не хочу.

— Я скорее про романтическую мечту.

— Я занимаюсь теоретическими моделями. Здесь, можно сказать, тоже есть большая возможность для фантазии, но фантазия ограничена экспериментом и теми математическими инструментами, которые мы используем.

— Раз уж мы заговорили о вашей работе, то расскажите, как проходят будни теоретиков? Пока представить довольно непросто.

— Давайте объясню на примере. Возьмем закон Кулона, который проходят в школе (закон Кулона описывает величину силы, действующей между двумя электрически заряженными частицами. — прим.ред.). Его проверяют на больших расстояниях, на меньших — убеждаются, что он работает во всех условиях.

Но что, если мы провели эксперимент, и он показал, что закон Кулона не работает или работает не так? Тут есть два варианта. Вы можете провести похожий эксперимент, чтобы найти причину отклонения, либо вы можете предложить новый закон. Или модифицикацию старого — дополнение к закону Кулона, которое бы при этом не противоречило тому, что до вот этого эксперимента все прошлые согласовывались с законом Кулона. Вот этот кусок — мой. Но мало придумать что-то, нужно еще понять, как проверить предсказания. Желательно существующими инструментами, или теми, которые появятся хотя бы в перспективе 20 лет.

Часто бывает так, что мы начинаем разбираться и выясняется, что перед нами не какая-то новая физика, а проблемы с самим экспериментом. Или недооцененные неопределенности. Но случаются проблемы и теоретического характера. Вот у нас есть фундаментальные взаимодействия: гравитационные, электромагнитные, слабые и сильные. Если мы попытаемся последний тип описать как условную силу между двумя объектами, то в какой-то момент такого рода описание перестанет работать. Сила, условно, превращается в бесконечную. Чтобы избежать этого, можно изменить масштаб работы, так как функция взаимодействия связана с функцией расстояния между двумя телами. Но если на больших расстояниях у нас есть, например, протоны и нейтроны, то на маленьких расстояниях они начинают «рассыпаться» на составные части. А там, на этих расстояниях, вообще все работает по-другому. Для описания подобных сильных взаимодействий у нас еще не совсем развит формализм.

— И как решать эту проблему?

— Через некие величины, которые мы вычисляем в результате компьютерных симуляций. Сейчас этот подход активно развивается, и довольно успешно.

Представьте, что перед вами сложная поверхность — пусть будет карта. Там горы, овраги, и вы хотите узнать, где на карте самая низкая точка. Вы можете попытаться измерить это линейкой, а можете ограничить поверхность, набросать туда шариков и немного потрясти. И шарики в конце концов упадут в область минимума и останутся там. Численные расчеты для сильных взаимодействий во многом работают по такому же принципу, только компьютер позволяет хорошо и правильно трясти — не очень сильно, потому что шарик может убежать, и не очень слабо, потому что шарик может не двигаться.

— Хотела бы поговорить про одно из направлений ваших исследований. Насколько я помню, вы ищете сигнал от распадающейся темной материи? Очень много теории вокруг нее, это горячая тема и для далеких от науки людей. Вы даже ходили к Капице на передачу «Очевидное — невероятное», с ним тоже беседовали про темную материю 13 лет назад…

— И так же, как и тогда, мы не знаем, из чего состоит темная материя. Надо сказать, что здесь мы никак не продвинулись.

— Но у вас есть довольно интересная теория про стерильный нейтрино. Ваше предположение в том, что оно может быть частицей темной материи?

— Да, все верно.

— А насколько это маргинальная теория?

— Маргинальная — это когда на границе безумия?

— Давайте перефразирую. Насколько вообще в рамках всех допущений и поправок вы сами видите вероятным, что стерильное нейтрино действительно может решить проблему темной материи? Потому что есть самые разные варианты ведь. Те же микроскопические черные дыры — тоже вполне себе решение.

— Тут можно так сказать: довольно продолжительное время наиболее вероятными кандидатами на роль частиц темной материи были так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы.

Когда говорят, что материя темная, это означает, что она не взаимодействует с электромагнитным излучением. Если бы взаимодействовала, мы бы легко ее в телескоп увидели и темной не стали бы называть. Может быть, тогда она участвует в сильных взаимодействиях, и мы можем так ее найти? Но этот вариант, оказывается, нам не совсем подходит. Сильные взаимодействия очень странные, их можно описать так: чем ближе частицы друг к другу, тем слабее они взаимодействуют, а чем больше они хотят разлететься, тем сильнее притягиваются. Темная материя так себя не ведет.

Остается последний вариант — слабые взаимодействия. Они в принципе стыкуются с темной материей, если посчитать, что есть некие частицы, которые проявляют себя исключительно в слабых взаимодействиях. Более того, если представить, что подобные объекты существовали в ранней Вселенной в плазме вместе с остальными частицами, и посчитать, сколько их должно было остаться до сегодняшнего момента, то наши оценки будут очень правдивыми. С точностью до порядка.

Раз мы ничего не придумали и просто посчитали, и все совпало, то, может, и правда есть частица, которая участвует в известном нам слабом взаимодействии? В таком случае самый понятный кандидат для нас — нейтрино.

— Но с нейтрино как будто бы что-то уже понятно?

— Да, мы понимаем, как его искать. Например, сейчас есть телескопы, которые спрятаны очень глубоко и защищены от помех. Они ловят возмущения от слабых взаимодействий. Или же есть другой подход — когда мы ожидаем увидеть вторичные частицы, рожденные за счет слабого процесса. Тогда мы высматриваем в космических лучах признаки протонов-антипротонов, электронов-позитронов: какую-то компоненту, у которой нет астрофизического источника.

Но не все так просто. У нас есть еще одно указание на то, что физика частиц неполна, это нейтринная осцилляция. Объекты, которые участвуют в слабых процессах, оказывается, имеют возможность переходить: одно нейтрино может превратиться в другое. В стандартной модели есть три типа поколений — электроны, мюоны и тау-лептоны. У всех из них есть нейтринные пары, которые рождаются в слабых процессах вместе со своим заряженным компаньоном.

То есть если вы видите электрон, то вы ожидаете вместе с ним найти только электронные нейтрино. В реальности же оказывается, что если поставить детектор, то с некоторой вероятностью вам среди электронных нейтрино попадутся мюонные. С точки зрения стандартной модели такой переход из одного нейтрино в другое невозможен. А в природе — вполне.

— И что же это значит?

— Мы определяем нейтрино как безмассовые частицы. Но если допустить у них наличие какой-то массы, то все встает на свои места и переход становится возможен. В таком случае как модифицировать стандартную модель физики частиц? Здесь существует много возможностей, разные люди предлагают разные механизмы. Один из вариантов — представить себе, что есть новые компоненты, так называемые стерильные нейтрино. Стерильные, потому что они не участвуют ни в каких взаимодействиях, только в гравитационных. И стерильные нейтрино, смешиваясь с активными, могут дать необходимую для переходов массу.

Это хорошая мотивация ввести их в физику, ведь нам нужно объяснить нейтринные осцилляции, а за нейтринные осцилляции дали уже несколько Нобелевских премий.

— И такая частица вполне подходит на роль частицы темной материи, все понятно.

— Тут еще дело в том, что самое легкое стерильное нейтрино, согласно нашим моделям, будет вполне долгоживущим — его время жизни относительно распада будет намного больше, чем возраст Вселенной. Поэтому они должны летать где-то вокруг нас, а значит, могут создавать темную материю.

— Но судя по тишине в новостях научного мира, пока что такие стерильные нейтрино нам поймать не удалось?

— Надо признать, пока сигнала не видно.

— Кроме поиска стерильных нейтрино…

— Я все-таки не ищу, я теоретик. Я могу оценить сигнал и сказать, сколько лет нужно тому или иному эксперименту ждать, чтобы достигнуть уровня, на котором можно начать «закрывать» или открывать темную материю.

— Какие еще исследования вы и ваша научная группа ведете?

— Сейчас очень популярны гравитационные волны. Предполагается, что они рождаются при слиянии черных дыр, обращающихся вокруг друг друга. Но черные дыры в таких системах немного больше, чем можно было бы ожидать, и не совсем понятно, как они образовались. Если вдруг в ранней Вселенной, то существует механизм, который мог бы все объяснить, но он требует модификации известной физики.

— А как вы с гравитационными волнами связаны?

— Эта тема мне интересна, поскольку есть теоретические модели генерации волн, которые я предлагал.

— При всей моей любви к космологии и астрофизике хочется спросить, что нам дают, например, гравитационные волны для нашего понимания Вселенной?

— Поиски сигнала от гравитационных волн интересны в связи с инфляционной моделью. Есть идея, что ранняя Вселенная расширялась экспоненциально быстро, и на этом этапе стала однородной, изотропной и плоской. Замечательно, что в ту же эпоху из квантовых флуктуаций образовывались небольшие пространственные неоднородности материи. А потом из них родились галактики и их скопления. Аналогичен и процесс образования гравитационных волн на инфляционной стадии. Поскольку они распространяются везде, то, по идее, сегодня мы должны их видеть. Поиск такого рода гравитационных волн — одна из важнейших задач наблюдательной космологии. Если мы их найдем, то подтвердим, что в ранней Вселенной все было устроено именно так, как мы и говорили.

— Если же рассуждать в целом, в чем вам видится важность ваших исследований?

— Все просто. Мы пытаемся понять, как устроен мир.

— Шерлок Холмс говорил, кажется, зачем ему знать: Солнце вращается вокруг Земли или Земля вращается вокруг Солнца?

— Смотрите, с точки зрения развития человечества мы просто стараемся углубить наши знания о мире, в котором живем. Пытаемся понять, что происходило в раннюю эпоху, написать правильную историю Вселенной.

А с точки зрения приложения… физика — наука экспериментальная, мы придумываем очень разные способы проверок моделей. И в результате учимся создавать новые инструменты, например коллайдеры, чтобы сталкивать частицы друг с другом. Потом это переходит в обычную жизнь: когда мы хорошо понимаем, как устроен [протонный] пучок, то можем подобрать правильные энергию и направление, чтобы уничтожить вещество, например разрушить злокачественное образование глубоко внутри без хирургического вмешательства. Поэтому как инструментарий созданные нами приборы могут послужить для совершенно разных повседневных задач.

— Напрашивается вопрос: а зачем нам в принципе теоретики?

— Экспериментатор проводит исследования, получает результаты. Теоретикам нужно их обобщить и придумать модель, которая позволит достоверно предсказать будущие измерения. Затем экспериментатор должен проверить теорию и показать, что она работает.

— Получается, тут вы стоите слегка «над» экспериментаторами?

— С одной стороны, у меня возможности куда богаче, чем у экспериментатора. Придумывать что-то всегда легче. Но с другой стороны, я понимаю, что экспериментатор, проверив мои предсказания и не подтвердив их, мою фантазию убивает — потому что она не реализовалась в нашем мире.

Есть разные представления о том, как устроен мир глобально. Нам доступна только видимая часть Вселенной, хотя мы понимаем, что Вселенная больше. И где-то очень далеко, может быть, реализовалась бы моя идея, но проверить это невозможно, а физика — наука экспериментальная. Поэтому такое приходится выбрасывать на помойку.

В этом смысле у меня моделей, которые могли бы быть правдивыми, но не реализовались, куда больше, чем реализованных. Такое, правда, бывает не только у теоретиков: например, при создании Большого адронного коллайдера для детекторов строили сначала несколько прототипов — не таких гигантских, но тоже довольно внушительных — в итоге выбрали один, а от остальных отказались.

— Получается, фантазии теоретиков бюджетнее фантазий экспериментаторов.

— Как сказать. Проверяют-то меня экспериментаторы. И они должны построить прибор, чтобы меня проверить. Сколько идей было уничтожено на Большом адронном коллайдере его работой! Но без эксперимента работа превращается в философствование: если вы слепо верите в модель, то вам делать ничего не нужно, вы все объяснили.

— Как исследования, которые вы проводите, вписываются в мировую картину? Какие направления, может быть, у нас сильнее и почему так сложилось?

— Это фундаментальные исследования, здесь весь мир открыт. Чем конкретно занимаются научные группы, это, скорее, вопрос интересов этой группы. Ну, может быть, еще какого-то исторического развития. Например, мы в ИЯИ изучаем нейтрино, потому что у нас в институте хорошо выстроено это направление, мы делаем много интересных проектов. Если говорить о физике высоких энергий, то самый большой прибор — Большой адронный коллайдер — расположен в Женеве, но при этом швейцарских ученых на нем работает не так много, это международный проект. Есть инструменты меньшего размера, например электрон-позитронные коллайдеры: один находится у нас в Новосибирске, другой в Китае, еще один есть в Японии. Но инструментов для исследования фундаментальной физики много не нужно. Достаточно иметь один-два, но хороших.

— Что интересного в российской науке в вашей области исследований случилось за последние годы?

— С точки зрения физики элементарных частиц это, конечно, результат, полученный в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований, где я работаю. Там был проведен совершенно замечательный эксперимент по поиску стерильного нейтрино: очень простой и очень изящный. Ученые создали компактный источник нейтрино и поместили его в сферу, залитую жидким галлием. А эту сферу поместили дополнительно в другую емкость, похожую на консервную банку, которая тоже была заполнена жидким галлием. Но зачем это было сделано?

Галлий ученые выбрали не случайно. Дело в том, что он может захватывать нейтрино и превращаться в радиоактивный германий, у которого известен период распада — две недели. Поэтому если вы запустите источник нейтрино, немного подождете, то в галлии накопится германий, который можно будет посчитать и сказать, сколько нейтрино у вас пролетело через сферу с жидкостью и совпадает ли это с тем, что предсказывает теория. И если атомов германия вдруг меньше, чем ожидалось, то это значит, что «классические» нейтрино перешли в стерильное, которое ни с кем не провзаимодействовало и просто пролетело мимо.

Собственно, именно это ученые и сделали, причем расчеты провели отдельно для сферы и отдельно для «консервной банки». И оказалось, что и там, и там наблюдается недостаток на уровне 20% с очень высокой достоверностью — 5 сигма. Для науки это серьезный результат. И при этом пока что никто совершенно не понимает, как его объяснить.

— Подождите, но вы же говорили, что мы не видим сигнала от стерильного нейтрино…

— Это разные стерильные нейтрино. Стерильные нейтрино сами по себе могут иметь массу в очень широком интервале. Те, о которых мы говорили с вами раньше, это тяжелые, с массами в районе килоэлектронвольт. А в эксперименте BEST искали легкие, и они не подходят на роль частиц темной материи. Чтобы объяснить темную материю, этих частиц должно быть настолько много, что это уже начинает противоречить известной нам физике.

— А открытая учеными аномалия не может быть ниточкой для открытия темной материи?

— Не обязательно, чтобы одна проблема — темной материи и другая — проблема нейтринных осцилляций были связаны между собой таким грубым образом. Может быть, все как-то более хитро, а может и не связано вообще.

— Поняла. А какие-то еще интересные результаты, помимо легких стерильных нейтрино, есть?

— Есть любопытные результаты в области астрофизики. Сейчас люди пытаются научиться комбинировать данные в разных диапазонах, и это дает очень хорошие результаты. Например, некоторое время назад ученые сначала поймали сигнал гравитационных волн, а потом увидели их источник в видимом диапазоне и много чего узнали про астрофизику. Такого рода совпадения случаются время от времени, и это вызывает большой энтузиазм. Сейчас к этой инициативе присоединился Байкальский нейтринный телескоп. Когда у нас будет много приборов, которые будут готовы быстро «повернуться» в заданном направлении, то мы увидим космос во всей красе и лучше его поймем.

— Каким вы видите развитие вашей области исследований в будущем?

— Тут многое зависит от эксперимента. Потому что сегодня существует большое число гипотез о разной новой физике, которые должны объяснить те или иные проблемы. И многие эксперименты ищут эти «новые физики». Пока что предсказания теоретиков не оправдываются. К этому можно по-разному относиться. С одной стороны, это грустно — ведь никто не «попал». С другой стороны, наивно было ожидать, что придуманное за 10 лет сможет полностью объяснить 15-миллиардную историю Вселенной.

Но в то же время благодаря экспериментам мы начинаем видеть совершенно неожиданные для себя вещи. Для теоретиков это очень интересно. Например, телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил очень развитую раннюю галактику — такую, в которой звезды явно уже некоторое время «поработали». А ей всего 400 млн лет. И там — крупнейшая черная дыра, в миллионы раз массивнее Солнца. Как все это успело образоваться за такое короткое время?

Эксперимент приносит нам новые загадки, может быть, глядя на них, мы поймем, как решать предыдущие. Найдем механизм, который объяснит и это, и то. Пока есть аномалии, все будет развиваться вполне захватывающе.

Здесь хочется философски вспомнить встречу Маргарет Тетчер с учеными из Великобритании. Когда она спросила одного из них (John Ellis — прим.ред.)про его работу, он ответил: «Я — ученый-теоретик, я делаю предсказания и надеюсь, что эксперимент их не подтвердит. Потому что, если он их подтвердит, я ничего нового не выучу».

— А какие у вас надежды? Что-то выучить или что-то не выучить?

— Я постоянно что-то выучиваю в негативном смысле. Но очень надеюсь и на какой-то позитивный сигнал!

— На какие инструменты или проекты, которые работают или будут запускаться в ближайшем будущем, вы возлагаете наибольшие надежды?

— Если говорить про космологию, то я очень жду данных «Евклида». Когда они начнут публиковаться, это будет крайне интересно, потому что он должен построить самую большую трехмерную карту Вселенной.

Еще очень хочется увидеть новые данные рентгеновского телескопа «Спектр-РГ». Сейчас он исследует распределение скоплений галактик, а это — самые крупные гравитационно-связанные образования. Они перестали появляться из-за того, что Вселенная стала ускоренно расширяться. Такая борьба обычного притяжения и непонятного растягивания за счет темной энергии. На этих данных можно будет тестировать модели.

Если говорить про Большой адронный коллайдер, то я не ожидаю, что на следующей стадии его работы мы получим четкие указания на существование новой физики. Сейчас не очень понятно, что делать с коллайдерами — строить ли такого типа следующий инструмент.

— Давайте представим, что завтра вдруг «закрылся» вопрос темной материи: мы наконец-то поняли, что это такое. Что бы это значило для физики? Какой бы был следующий шаг?

— Это будет очень интересно, потому что темной материи в четыре раза больше, чем «обычной». Если мы вдруг поняли, как она устроена, то мы можем научиться создавать ее частицы. Они буду стабильны, в отличие от большей части элементарных частиц, которые нам известны. После этого станет ясно, как настроить телескопы, чтобы смотреть, что происходит с темной материей в галактиках. Кроме того, вероятно, частица темной материи — это своеобразный мостик, за ней целое новое поле физики. Ведь что-то привело к созданию этих частиц в ранней Вселенной, некая динамика. И нужно будет создавать новые модели, чтобы это объяснить. Сейчас мы уверенно знаем, что спустя 0,1 секунды Вселенная была очень горячей. Но, возможно, темная материя, которая возникла раньше, позволит нам заглянуть за этот предел и понять, что было до этого, например была ли Вселенная еще более раскаленной (а это наверняка так и есть). Фактически, у нас в руках будет «кость мамонта».

— В каких исследованиях вы бы еще хотели участвовать?

— В очень большом количестве! Просто времени нет совсем. Всегда приходится выбирать, время же фиксировано, и от чего-то нужно отказываться.

Но если бы вдруг у меня дошли руки, то я бы занялся моделями с дополнительными измерениями. Они в свое время были очень популярны. Проще пояснить на примере пространственного измерения. Идея такая: мы живем в трехмерном мире, но предполагаем, что есть еще одно дополнительное измерение, просто нам не хватает энергии (или чего-то еще), чтобы туда добраться. Люди раньше активно изучали этот «многомерный» мир, предлагали решения теоретических проблем, например откуда взялась гравитация.

Мне было бы интересно поразмыслить, можно ли построить модель с дополнительными временами. То есть ввести не пространственное измерение, а временное.

— Про «многовременность» я не слышала.

— Я тоже. Если бы слышал, мне было бы не интересно.

— Это полуфантазийная область?

— Да, но можно попытаться ее описать. Я могу взять общую теорию относительности и туда сколько угодно времен вставить. Но сложность в том, что нужно сохранить причинность — построить процесс так, чтобы все времена были упорядочены. Это отдельная интересная история.

— Вам наверняка нравится фильм «Интерстеллар».

— Да.

— Какая из загадок физики для вас самая любопытная?

— Мне хотелось бы понять, что все-таки стоит за темной энергией. Это самая интересная загадка, наверное. А так — у меня есть несколько работ, посвященных новой физике. Было бы классно, если бы хоть одна из моих моделей реализовалась бы в этом мире.

— Или же можно найти Вселенную, в которой ваша модель работает.

— Это было бы совсем хорошо, потому что мы бы научились получать из этих Вселенных какую-то информацию. Это же отдельная история!

Источник