Каждая подписка на печатную версию включает полный цифровой доступ

Поделиться по электронной почте

Поделиться в Facebook

Поделиться в Reddit

Это рассказ, написанный человеком и озвученный ИИ. Есть отзывы?

Если последнее указание на существование темной материи окажется реальным, это перепишет физику. Ученые уже пытаются прочитать контуры сюжета этой новой истории. И это вновь вызвало интерес к некоторым теориям, включая долго любимую, но постепенно отодвигаемую концепцию, называемую сверхсимметрией.

Темная материя незаметно присутствует повсюду: это неидентифицированный тип частиц, пронизывающий Вселенную и видимый лишь по своим гравитационным эффектам на галактики и другие космические объекты. 1 сентября ученые из коллаборации LUX‑ZEPLIN, или LZ, объявили, что увидели в своем детекторе сигнал, который мог быть вызван одной частицей темной материи — хотя это все еще может быть просто всплеск, вызванный известными физическими процессами.

За недели после обнаружения на arXiv.org появилось десятки статей, пытающихся объяснить, что увидел LZ. Большой интерес сосредоточился на предполагаемом типе частицы, называемой хиггсино. Если идея верна, это было бы значимо. «Если мы его обнаружим, это будет первое открытие сверхсимметрии», — говорит теоретический физик Харикришнан Рамани из Делавэрского университета в Ньюарке.

Сверхсимметрия и хиггсино

Сверхсимметрия предполагает, что для каждой известной частицы существует более тяжелый двойник, называемый суперпартнером. Это идея, которая могла бы одновременно решить несколько задач физики, поэтому она привлекла преданных сторонников среди физиков.

Один из этих гипотетических суперпартнёров, например хиггсино, мог бы быть темной материей. Хиггсино — суперпартнёр бозона Хиггса — частицы, открытой в 2012 году, объясняющей происхождение массы. «Если бы вы спросили людей в 2000 году: „Кандидат на роль темной материи, который вам нравится?“ — многие, вероятно, уже тогда назвали бы хиггсино», — говорит теоретический физик Трейси Слэйтер из MIT.

В последние годы популярность сверхсимметрии уменьшилась, поскольку адронные коллайдеры не нашли доказательств её существования. Но как объяснение намека LZ на темную материю хиггсино кажется правдоподобным — по крайней мере на первый взгляд. «Это почти работает», — говорит Слэйтер.

Детектор LZ и его открытия

Детектор LZ, расположенный в Sanford Underground Research Facility в Лиде, штат Южная Дакота, состоит из большого резервуара с жидким ксеноном. Детектор ищет темную материю, пронзающую ксенон, сталкивающуюся с ним и выбивающую ядро ксенона. Ожидается, что такое событие будет редким, поскольку темная материя очень слабо взаимодействует с обычной материей. В событии, которое обнаружил LZ, ядро испытало отдачу с особенно высокой энергией. Большинство типов темной материи производили бы низкоэнергетические отдачи в дополнение к высокоэнергетическим. Но LZ не увидел никаких низкоэнергетических отдач.

Если темная материя была бы хиггсино, это могло бы объяснить отсутствие низкоэнергетических событий. Хиггсино отличается от типичных кандидатов на темную материю тем, что у него могут быть два различных состояния с разными массами. Столкновение произойдет только если достаточно энергии, чтобы перевести хиггсино из более легкого состояния в более тяжелое. Это означает, что низкоэнергетических ядерных отдач не будет.

Непредсказуемые результаты и новые исследования

В тот же день, когда LZ объявил результат, несколько статей на arXiv высказали возможность хиггсино. «Я довольно взволнована», — говорит теоретический физик Кэтрин Фризи из Техасского университета в Остине, соавтор одной из таких статей, поданной 1 сентября. «Первую статью я когда‑то написала за 24 часа».

Но дальнейшее исследование сделало объяснение через хиггсино менее правдоподобным. Например, если хиггсино существуют, они взаимодействовали бы с Солнцем и захватывались бы его гравитацией. Там, согласно концепциям сверхсимметрии, они аннигилировали бы друг с другом и производили бы высокоэнергетические частицы — нейтрино. Эти нейтрино должны были быть обнаружены нейтринным детектором на Южном полюсе под названием IceCube, сообщили Рамани и его коллега 2 сентября на arXiv.org. Но таких нейтрино не наблюдали.

Есть и еще одна потенциальная проблема. Слэйтер и коллеги заметили график в приложении к статье LZ, который рассматривает еще более высокие энергии. Если LZ действительно увидел одно хиггсино на той энергии, которую они сообщили, то ожидается увидеть еще больше событий на более высоких энергиях, сообщили исследователи 3 сентября. Но LZ не сообщил о чем‑то, что выглядело бы как темная материя в том энергетическом диапазоне. Представитель LZ Рик Гейтскелл, физик из Брауновского университета в Провиденсе, штат Род-Айленд, отмечает, что детектор LZ не был откалиброван для тех энергий. «Мы не делали никаких официальных заявлений о детекции или даже о недетекции в той области событий», — написал Гейтскелл в текстовом сообщении. Но если данные принимать всерьез, это делает событие LZ еще труднее объяснить хиггсино.

Альтернативные теории

Учитывая все эти факторы, идея хиггсино выглядит несколько натянутой. Но все же остается небольшое пространство для маневра. Одна из возможностей в том, что масса хиггсино отличается от того, что теоретики обычно ожидают — примерно в 1 000 раз больше массы протона. Такая большая масса выбирается, чтобы хиггсино могли объяснить количество темной материи, наблюдаемое во Вселенной сегодня. Изменение этой массы усложняет картину, но может сделать её более согласованной с тем, что увидел LZ.

Дополнительный маневр даёт возможная скорость частиц темной материи в Млечном Пути. Частицы могут достигать более высоких скоростей, чем обычно предполагают, и это могло бы упростить объяснение данных. Для того чтобы быстрый хиггсино проявился в LZ, потребовалось бы большее различие между двумя массами частицы. Большая разность энергий означает, что у хиггсино меньше возможностей производить нейтрино в Солнце, что объясняет, почему нейтринные эксперименты их не видели.

Играя с этими факторами, всё еще можно заставить объяснение с хиггсино работать, говорит Фризи. Хиггсино примерно в 2 000 раз тяжелее протона могли бы подойти, сообщают Фризи и соавтор в статье на arXiv от 2 октября. «В целом: мы любим хиггсино, и сейчас мы вносим подробности, которые считаем важными», — говорит она.

Но если это не хиггсино, «возможно, это какая‑то другая частица с теми же базовыми свойствами», — говорит теоретический физик Дэн Хупер из Университета Висконсин—Мэдисон. Такие частицы не обязательно подчиняются ограничениям, которые налагает сверхсимметрия. Например, если частицы накапливаются в Солнце, они не обязательно будут производить нейтрино, поэтому отсутствие сигналов в IceCube в этом случае не имеет значения. Хупер и коллеги исследовали такие возможности в статье, поданной 10 сентября на arXiv. А в работе от 22 сентября на arXiv Хупер и соавторы предложили вариант другого класса частиц темной материи, который мог бы объяснить две загадки одновременно: результат LZ и таинственные гамма‑лучи, высокоэнергетическое излучение, исходящее из центра Млечного Пути.

Другие физики рассматривают совершенно иные идеи, связанные с гипотезами о таких типах частиц, как темные фотоны. Между тем ученые с нетерпением ждут новых результатов от LZ, чтобы увидеть, скрываются ли в дополнительных данных подобные события.

Другие эксперименты по поиску темной материи, такие как XENONnT в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, также изучают свои существующие данные в поисках высокоэнергетических событий. Результат LZ «очевидно требует перекрестной проверки», — говорит представитель XENONnT Елена Априле, физик из Колумбийского университета.

Даже если результат не является безусловным подтверждением хиггсино — и даже если это вовсе не темная материя — ученым нравится исследовать возможности. «Думаю, неправильно устраивать истерики из‑за того, что это не то хиггсино, каким мы хотели бы его видеть», — говорит Рамани. «Природа может не дать нам всего, что мы хотим, сразу».