Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
Исследователи из Йоркшира ищут WIMPs. Фото с сайта www.nature.com
Исследователи, зарывшиеся глубоко под землю в поисках следов неуловимой темной материи (которая, как теперь уверены почти все астрофизики, абсолютно преобладает над "нормальным" веществом во Вселенной), могли бы добиться большего успеха по сравнению с теми, кто привычно обращает взор в поисках невидимых объектов к небесам. Но, вероятно, и у них не получится ничего найти... Мы живем в занимательное время - хотя общее количество темного вещества известно довольно точно, его идентификация остается невозможной.
Джонатан Фенг (Jonathan Feng) и его коллеги из Калифорнийского университета в Ирвине (University of California at Irvine) считают, что около 90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (или SWIMPs, superweakly interacting massive particles - сверхслабовзаимодействующие массивные частицы - новый класс небарионной холодной скрытой материи), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
В настоящее время едва ли не самым вероятным подозреваемым на роль завладевших нашим миром невидимок, "умаляющих достоинство" "традиционных" звезд и галактик, считается WIMPs - слабовзаимодействующие с обычным веществом массивные частицы ("вимпсы"). Они тяжелее протонов и нейтронов, из которых, собственно, и состоят ядра всех атомов, и поэтому способны взаимодействовать с ними посредством гравитации. Никаким другим образом оказывать влияние на нормальное вещество они не способны вообще.
В надежде зафиксировать очень редкие столкновения между WIMPs и нормальными частицами физики из Европы и США устанавливают датчики глубоко под землю, ограждая их таким образом от космических лучей, способных исказить картину. Но эти усилия могут оказаться бесплодными, предупреждают авторы нового исследования. Ведь предсказанные ими новые super-WIMPs взаимодействуют с веществом столь слабо, что могут считаться не только невидимыми, но и необнаружимыми. "Super-WIMPs невозможно обнаружить непосредственно, не помогут и эксперименты, основанные на получении каких-либо косвенных данных", - печально констатируют изобретатели этого новоявленного чуда-юда.
Впрочем, авторы все-таки оставляют один лучик надежды для неутомимых охотников за темной материей. Свидетельством существования super-WIMP, а следовательно, и темной материи было бы выделение в некотором энергетическом диапазоне аномально большого количества гамма-лучей, пронизывающих все пространство. Диффузный спектр гамма-лучей в настоящее время измеряется спутником INTEGRAL (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory - Международной астрофизической лабораторией гамма-излучения), который был запущен с Байконура и эксплуатируется Европейским космическим агентством.
Надо сказать, что super-WIMPs - это все-таки не простое упражнение в научном пессимизме, а изучение следствий активно развиваемых ныне теорий, которые призваны объединить квантовую механику с гравитацией (важнейший вопрос, от решения которого зависит будущее всей физики). Фенг и его коллеги показывают, что две самые популярные на сегодняшний момент теории, претендующие на то, чтобы лечь в основу будущей физики - супергравитация (supergravity), которая "вызывает к жизни" целую генерацию новых элементарных частиц, и теория Калуцы-Кляйна (Kaluza-Klein) или компактификация, которая постулирует наличие в нашем мире дополнительных скрытых измерений, - непременно требуют наличия частиц, связанных с гравитационным полем, соответственно, гравитино и гравитона.
Дело в том, что согласно принципу суперсимметрии, при перестановке бозонных и фермионных частиц физические законы должны оставаться неизменными. Отсюда следует, что у каждого бозона должна быть пара - фермион, и наоборот. Наряду с открытыми кварками-фермионами в природе должны существовать кварки-бозоны. У электрона, позитрона, нейтрино также должны быть такие пары. Еще не открытый "компаньон" должен быть у фотона - фотино (квант "спинорного света"). Некоторые суперсимметричные партнеры могут быть в миллиарды и даже в миллиарды миллиардов раз тяжелее протона. Ни космические лучи, ни один из действующих ускорителей не обладают энергией, достаточной, чтобы породить таких "тяжеловесов", возникавших, возможно, только на короткое время после Большого взрыва.
Гравитон - квант поля тяготения. Если верна теория суперсимметрии, он тоже должен обзавестись партнером, получившим название гравитино. Это квант калибровочного поля, различающего фермионные и бозонные частицы. У бозона-гравитона спин равен нулю или двум, у фермиона-гравитино - 3/2. Гравитон подобен фотону, не имеет массы и всегда движется со скоростью света. Масса гравитино, по оценкам, раз в сто больше массы протона, поэтому гравитино рождается на очень малых расстояниях, меньше 0,001 "диаметра" протона. Под его влиянием поле тяготения приобретает там совершенно новые черты - становится супергравитацией.
Эти гипотетические частицы, считают исследователи, могут обладать в точности теми свойствами, что предсказаны для super-WIMPs: большая масса, но почти нулевая склонность к взаимодействию с веществом. Утверждается, что темное вещество super-WIMP строго удовлетворяет условиям нуклеосинтеза Большого взрыва и данным по космическому микроволновому фону.
Источники:
Dark matter may be undetectable - Nature News Service
Superweakly Interacting Massive Particles - Jonathan L. Feng, Arvind Rajaraman, Fumihiro Takayama
Ссылки:
За пределами теории Эйнштейна - суперсимметрия и супергравитация - Владилен Барашенков, "Знание - сила, # 7/1987
Природа невидимой (скрытой) массы (материи) - Юрий Гнедин
Философские проблемы физики элементарных частиц - под ред. Ю.Б.Молчанова
Обсудить
Справка
WIMPs
Большое количество физиков убеждено в том, что скрытая масса заключена в основном в элементарных частицах (аксионах, фотино, нейтрино, нейтралино, гравитино и других космино). Экспериментальные установки могут быть модифицированы так, чтобы стало возможным изучить некоторые из частиц темного вещества. Предполагается, что, когда интенсивный поток WIMPs пролетает через кристалл из германия и кремния, часть частиц будет изредка попадать в ядро кристаллической решетки, и решетка начнет вибрировать из-за толчков, поскольку WIMPs, по расчетам, должны иметь массу примерно такую же, как атом. Какая-то часть импульсов будет передана электронам в кристалле, заставляя их перескакивать. Каждый кристалл смонтирован со свинцовой батареей, и эффект наблюдается посредством помещения в него электрического поля и измерения потока заряда - метод, известный как ионизационное обнаружение. Один кристалл весом 900 г может испытать от 1 до 1000 взаимодействий с WIMPs каждый день, независимо от природы WIMPs.
Справка
"Лишние" измерения
Суперструны предпочитают "жить" сразу в 10 пространственно-временных измерениях. Идея Калуцы-Кляйна состоит в том, что 6 "лишних" измерений представляются свернутыми, причем радиус компактификации настолько мал, что мы не ощущаем его (к каждой точке нашего мира прикреплен крохотный "пузырек" 6-мерного компактифицированного пространства). В последнее время появилась и другая интерпретация, согласно которой "лишние" измерения могут быть и некомпактны, а недоступны они нам потому, что мы как бы находимся в потенциальной яме и не можем выйти в эти новые измерения. В этом подходе обычные три пространственных и одно временное измерения образуют гиперповерхность в многомерном пространстве - так называемую брану, все взаимодействия и материальные объекты локализованы на бране, и только гравитация (и иногда другие силы) могут существовать во всем объеме. Проявлением "лишних" измерений в этом случае служит модификация закона тяготения Ньютона.
Источник:
Суперсимметрия и объединение фундаментальных взаимодействий
Статьи по теме
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).
"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах
Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".
Большой взрыв руками физиков-ядерщиков: подтверждено получение кварк-глюонной плазмы
Недавние контрольные эксперименты добавили уверенности "творцам Большого взрыва" из Брукхэвена: похоже, им действительно удалось получить кварк-глюонную плазму - то есть материю, находящуюся в принципиально новом состоянии. Согласно современным теориям, кварк-глюонная плазма существовала только в первые 10-5 с после Большого взрыва. Когда-то предрекали, что подобные эксперименты могут привести чуть ли не к концу всей нашей Вселенной или, по меньшей мере, к формированию микроскопической черной дыры, которая затем затянет внутрь себя все, до чего сможет дотянуться.
Копейкина опровергают американцы, но Эйнштейн пока не пострадал
Альберт Эйнштейн, возможно, был прав, постулировав, что скорость гравитации равна скорости света, но вопреки заявлению Копейкина и Фомалонта, сделанному ими в самом начале этого года, это положение все еще не доказано экспериментально. Очередной удар по позициям нашего соотечественника Сергея Копейкина нанесли специалисты из Лаборатории Беркли.
Впервые удалось измерить скорость гравитации
Впервые с приемлемой точностью удалось измерить скорость гравитации. Измерялось небольшое видимое изменение позиции квазара, вызванное изгибом пути радиоволн от этого источника в поле тяготения Юпитера. Результат важен с точки зрения "закрытия" некоторых вариантов современных теорий и поддержки других - он связан с космологическими теориями множественных вселенных и так называемой теории струн или суперструн.
Вселенная во власти "темной энергии": новое доказательство
Наблюдения за отдаленными квазарами показывают, что основная часть энергии во Вселенной содержится в форме таинственной "темной энергии". Долгое время считалось, что модель расширяющейся Вселенной, по крайней мере, на современном ее этапе, позволяет обойтись без этой новой сущности.
Постоянство гравитационной постоянной G под сомнением
Новый эксперимент швейцарских физиков, поставленный для уточнения значения гравитационной постоянной G, прибавил весомости довольно спорной теории, согласно которой на силу гравитации оказывает влияние магнитное поле Земли.
Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн
Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.
Физики надеются обнаружить изменение фундаментальных констант со временем
Две группы физиков на протяжении последних лет провели целый ряд аккуратных экспериментов в надежде обнаружить непостоянство природных констант, до сих пор считавшихся не изменяющимися со временем. До настоящего момента данные на эту тему добывались астрофизическими методами и указывали на возможность подобных вариаций.
Стивен Хокинг считает, что окончательной теории Вселенной может и не существовать
Все теории, развиваемые до настоящего времени для того, чтобы объяснить Вселенную, "являются либо противоречивыми, либо неполными", - заявил Хокинг. Он сослался на работы Курта Гёделя, чешского математика, автора знаменитой теоремы Гёделя, согласно которой в пределах любой области математики некоторые суждения никак не могут быть ни доказаны, ни опровергнуты.
Физики открыли "мятежную" субатомную частицу
На линейном ускорителе в Стэнфорде идентифицировали новую субатомную частицу Ds (2317). Эта частица представляет из себя необычный "сплав" "очарованного" кварка и "странного" антикварка. Ее масса оказалась существенно ниже, чем можно было бы ожидать. В качестве альтернативы рассматривается и такая возможность: частица могла бы быть в новом, до настоящего времени невиданном состоянии - ассоциация четырех кварков.
Астрономы обнаружили "потерявшиеся" барионы
Астрономы обнаружили новый тип разогретого межгалактического газа, с помощью которого можно локализовать невидимое присутствие темного вещества во Вселенной. Газовое облако, в триллион раз массивнее, чем наше Солнце, и в 150 раз более горячее, окружает нашу местную группу галактик, в которую входит Млечный путь, туманность Андромеды и еще приблизительно 30 мелких галактик.
Загадка солнечных нейтрино решена
Удалось обнаружить эффект "исчезновения" нейтрино. Этот эффект свидетельствует о том, что нейтрино имеют массу и могут осциллировать - то есть превращаться из одного типа в другой. Стандартная модель элементарных частиц, которая успешно использовалась фундаментальной физикой с 70-х годов прошлого века, требует серьезной модернизации.
Неуловимая темная материя блуждает как пьяный матрос
До недавнего времени предполагалось, что таинственное темное вещество распределяется равномерно в массивном ореоле вокруг каждой галактики. Это не совсем верно. Такие ореолы действительно существуют, но состоят они из тысяч отдельных скоплений, которые можно воспринимать как своеобразные "темные" спутниковые галактики.
Найдены "голые" галактики, лишенные "шубы" из темной материи
Три "голые" галактики, не окруженные темной материей, были найдены международной группой астрономов. Открытие наносит серьезный удар по убеждению, долгое время царившему в умах астрофизиков, согласно которому все галактики окружены скрытыми "темными" ореолами. Ученые приходят к мысли, что некий таинственный фактор в эволюции галактик "раздевает" их, лишает темного вещества.
Новости по теме
