Одно из возможных объяснений, которое участники проекта XENON рассмотрели в статье, опубликованной ими в октябре 2020 года в журнале Physical Review D, состоит в существовании аксионов – но только не тех, что претендуют на роль холодной темной материи, а быстродвижущихся аксионов, возникающих в солнечном ядре и более или менее напоминающих предмет поисков в эксперименте CAST11. Если результат подтвердится, то это станет открытием исключительной важности, но вообще-то нельзя исключить и гораздо более простое объяснение: похожий избыток событий может быть результатом неучтенного ничтожно малого избытка примеси атомов радиоактивного трития в жидком ксеноне – достаточно всего несколько атомов на килограмм. Возможно, что ко времени опубликования этой книги проблема будет решена благодаря данным гораздо более высокочувствительного эксперимента на более крупной установке XENONnT или данным конкурирующего американского эксперимента LUX-ZEPLIN.
Стерильные нейтрино и аксионы были впервые предложены несколько десятков лет назад в попытке решить назревшие проблемы физики элементарных частиц. Но вскоре после этого отчаявшиеся охотники за темной материей сочли их возможными кандидатами на роль невидимой гравитирующей массы во Вселенной. Правда, существование обеих частиц остается чисто гипотетическим, и через пару десятков лет они вполне могут отправиться на все растущую свалку тупиковых теоретических построений и отвергнутых гипотетических частиц.
Пришло время начать искать еще более экзотические альтернативы.
24. Темный кризис
Амстердам – город-призрак. На площади напротив построенного в XIX веке вокзала почти никого нет. Вдоль каналов не разъезжают туристы, никаких пьяных британских хулиганов в Квартале красных фонарей. Нет очереди американских туристов, желающих попасть в музей Ван Гога. Большая часть школ, театров и магазинов закрыты. Люди работают из дома, стараясь избегать личных контактов.
Несмотря на принятые нидерландским правительством строгие карантинные меры я лично встречаюсь с физиком-теоретиком Эриком Верлинде в его небольшом кабинете в пугающе тихом Амстердамском университете 1. На лицах у нас маски. Мы не пожимаем друг другу руки и соблюдаем дистанцию. Как и большинство ученых, Верлинде относится к невидимому коронавирусу очень серьезно. Но при этом он не верит в темную материю.
Это было в декабре 2020 года, и я делаю первое очное интервью за шесть месяцев. Пандемия ковида серьезно нарушила мои планы по написанию книги. Запланированная на март конференция по темной материи, которая проводится раз в два года в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, отменена. Большинство изначально запланированных интервью будут проводиться в форме Zoom-конференций. Я не смог съездить посмотреть на установку LUX-ZEPLIN в Южной Дакоте или на многообъективный телескоп Dragonfly Telephoto Array в штате Нью-Мексико. Конференция IDM 2020 в Вене, посвященная обнаружению темной материи, проводилась в удаленном режиме с сокращенным количеством докладов. И да, я не смог съездить в китайскую подземную лабораторию Цзиньпин, чтобы посмотреть на детектор PandaX.
Коронавирус также сказался на исследованиях темной материи. Астрономические обсерватории и физические лаборатории, включая ЦЕРН и Гран-Сассо, пришлось закрыть. Из-за отмены поездок и введенных карантинных ограничений возникли задержки в реализации международных проектов. Ученые болели, а некоторые умерли. Многолетние исследования истинной природы темной материи почти полностью остановились, но теоретики вроде как не переставали размышлять о новых способах разрешения кризиса.
Конечно же, речь идет вовсе не о ковиде, а о кризисе в исследованиях темной материи. Который, кстати, в чем-то похож на коронавирусную пандемию. В случае темной материи зараза имеет вид тревоги: всевозрастающее ощущение в научной среде, что мы идем по ложному следу. Возможно, что темная материя состоит не из вимпов. Даже ΛCDM-модель может оказаться неверной. Казавшиеся незыблемыми истины утрачивают силу, и возникает запрос – и запрос очень насущный – на новые идеи, и, возможно, нам надо приготовиться к новой нормальности, пусть даже мы и не знаем, куда идем. Мы это уже проходили.
Хотя исследователи с большим опытом вроде Джона Эллиса из ЦЕРНа и руководителя проекта XENON Елены Априле все еще придерживаются мнения, что Солнечная система несется сквозь океан слабовзаимодействующих массивных частиц, которые, возможно, удастся обнаружить с помощью будущей подземной установки, младшее поколение ученых – среди них есть и те, кто родился уже после появления концепции вимпов, – готовы распроститься с этой идеей. По словам Кэтрин Зурек, «возможно, что модель с вимпами еще не умерла, но она уже точно на искусственном дыхании. Если бы мне пришлось делать ставку на возможный вид темной материи, то уж точно не на вимпы»2.
Сабина Хоссенфельдер из Франкфуртского института перспективных исследований в Германии также считает, что поиски вимпов всегда были плохо обоснованы3. Как мы узнали в главе 10, теория Большого взрыва предсказывает для гипотетических вимпов величину «остаточной плотности», которая прекрасно согласуется с плотностью темной материи. Но, по мнению Хоссенфельдер, «это вимповое чудо не следовало воспринимать всерьез. Красота не может служить научным аргументом. И никогда не должна была таковым считаться». Она уверена, что вообще пристрастие к математической красоте сбивает физиков с истинного пути, будь то в вопросе о поиске решения загадки темной материи или попытках создания всеобъемлющей теории всего.
Соображения, основанные на числах и числовых совпадениях, зачастую играют важную роль в создании новых физических теорий. Например, некоторые теоретики обращают внимание на то, что средняя плотность небарионной темной материи во Вселенной не сильно отличается от средней плотности барионной материи. Конечно, темной материи в пять раз больше, чем «обычной», но это величины одного порядка, при том что нет никаких очевидных причин, почему бы этим плотностям не различаться в миллион раз. Так что, возможно, природа нам таким образом на что-то намекает – быть может, это как-то можно объяснить. Такие соображения навели ученых на мысль об асимметричной темной материи, когда частицы темной матери не являются собственными античастицами, как вимпы, а имеет место асимметрия «частица – античастица», как у барионов. В таком случае неудивительно, что суммарное количество барионной материи сравнимо с количеством темной материи.
Поскольку погоня за вимпами до сих пор не увенчалась успехом, по словам Хоссенфельдер, ученые начали потихоньку переориентироваться, становясь открытыми для более экзотических гипотез. Действительно, при просмотре пары номеров журнала New Scientist или аннотаций препринтов, опубликованных на сервере arXiv, обнаруживается огромное количество статей с изложением совершенно сумасшедших концепций и теорий. Даже некоторые давно отвергнутые идеи обретают второе дыхание.
Возьмем, например, первичные черные дыры. Эти крохотные сильно искривленные участки пространства-времени, предположение о существовании которых было впервые высказано в 1970-х годах Бернардом Карром и Стивеном Хокингом, были вскоре предложены на роль кандидатов в темную материю, но впали в немилость после того, как их не удалось обнаружить в микролинзовых обзорах4. А теперь, подобно некоторым старым рок-звездам, они снова входят в моду.
Уточним, что речь идет не о любых черных дырах, а об очень специфическом их виде. Едва услышав про загадку темной материи, многие сразу представляют себе черные дыры как самое подходящее ее решение. Ведь черные дыры невидимы, массивны, стабильны и окутаны тайной – что еще нужно? Но дело в том, что обычные черные дыры – как сравнительно маломассивные, которые образовались из массивных звезд при их взрыве как сверхновых, так и сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик – по-видимому, не могут претендовать на роль темной материи во Вселенной. Во-первых, из того, что астрофизики узнали об эволюции галактик и звезд, следует, что сейчас на черные дыры приходится не больше 0,01 % всей массы Вселенной. Но еще важнее то, что все эти черные дыры образовались из барионной материи на протяжении 13,8 миллиарда лет истории Вселенной. Они относятся к 4,9-процентному барионному куску космического пирога, описанного в главе 16.
Что же касается первичных черных дыр, то они могли образоваться из сильных флуктуаций самой ткани пространства-времени в процессе рождения Вселенной – возможно, даже во время короткого периода экспоненциального расширения, известного как инфляционная эпоха. Это было задолго до возникновения первых атомных ядер и установления относительного количества барионной и небарионной материи. «Море» первичных черных дыр, каждая размером с атомное ядро и с полем тяготения, как у небольшой планеты, вполне может объяснить загадку темной материи. Во всяком случае, так полагали некоторые физики. Но когда оказалось, что в ходе экспериментов MACHO и EROS не удалось обнаружить свидетельства наличия массивных компактных объектов в гало нашей Галактики (см. главу 14), популярность первичных черных дыр как кандидатов в темную материю сошла на нет.
Правда, совсем недавно первичные черные дыры вернулись в поле зрения теоретиков, которые описали возможность образования во Вселенной гораздо более массивных объектов этого вида массой не с небольшую планету, а несколько десятков солнечных5. Если темная материя во Вселенной существует в виде первичных черных дыр в 30 раз массивнее Солнца, то они должны быть в большей степени разнесены в пространстве, чем если бы это были ранее предполагавшиеся первичные черные дыры, и остаться незамеченными для микролинзовых обзоров.
Это прекрасный пример того, во что превратились теоретические исследования темной материи. Достаточно реанимировать какую-нибудь старую идею или, еще лучше, предложить новую, подправить ее, чтобы не противоречила принятым в науке нормам и данным наблюдений, и вы в деле. Больше не нужно никакого экспериментального обоснования – если предложенная вами гипотеза не является совершенно метафизической и в принципе может решить кризис в исследованиях темной материи, то она имеет все шансы попасть на страницы журналов