Знание-сила, 2006 № 08 (950) - [7]

Грубо говоря, эта теория утверждает, что «правильные» уравнения реакций между частицами должны обладать одним общим свойством — они должны быть полностью симметричны относительно замены частиц из класса «бозонов» (к которым относится в частности, световая частица — фотон) на частицы из класса «фермионов» (к которым относится, в частности, электрон). А далее эта теория говорит: для того, чтобы нынешние уравнения (справедливые при небольших энергиях и неточные при больших) превратить в «правильные» (справедливые при всех энергиях), нужно добавить к таблице стандартной модели доселе неизвестные науке частицы — «супсрпартнеры» уже известных частиц (например, «фотино» вдобавок к фотону, «сэлектрон» вдобавок к электрону, «скварк» вдобавок к кварку). Разумеется, свойства этих новых частиц не могут быть любыми — они должны быть такими, чтобы уравнения, описывающие их реакции, превратились в «суперсимметричные». Такое требование позволяет вычислить, какими же должны быть эти свойства — масса, электрический заряд, момент вращения, взаимодействие с различными силами и полями и тому подобное — у разных «суперпартнеров».

В современной физике новые частицы иногда открываются не в экспериментах, не в ускорителях, а «на кончике пера». В данном случае, одна из новых частиц, предсказываемых теорией суперсимметрии, имеет прямое отношение к нашему рассказу о темном веществе. Частица эта — нейтралино. Она не имеет электрического заряда (отсюда ее название — НЕЙТРА-лино). Эта частица существует в нескольких видах, отличающихся массой. Обычно, когда говорят «нейтралино», имеют в виду самое легкое из разных «нейтралин», но даже оно тяжелее атома водорода — и притом тяжелее в 1000 и более раз.

Нейтралино — очень массивная частица, но в силу отсутствия у нее заряда она, в отличие от атомов обычного вещества, не взаимодействует со светом (то есть с электромагнитным полем). Вообще, она очень слабо взаимодействует с обычными частицами и всеми другими суперпартнерами. В этом отношении она очень похожа на нейтрино, только по массе является полной противоположностью: масса нейтрино практически равна нулю. Поэтому нейтрино проходят огромные слои вещества, почти не взаимодействуя с его атомами, а массивное нейтралино хоть немного, но оставляет за собой след такого взаимодействия — ядра атомов, задетые этой частицей, будут слегка отклоняться со своего пути. (Взаимодействуй нейтралино с обычным веществом чуть сильнее, и оно проходило бы сквозь него, как танк, оставляя за собой сплошные обломки и развалины.) Ученые рассчитывают обнаружить нейтралино с помощью такого рассеивания атомных ядер при прохождении этой невидимой частицы. Но пока что им это не удалось.

Большая масса нейтралино означает, что при их создании (на первых этапах жизни Вселенной) основная часть затраченной на это энергии пошла на их массу, а не на скорость; поэтому все нейтралино движутся медленно, они как бы имеют низкую температуру (чем меньше температура, тем медленнее движение, и наоборот). Иными словами, нейтралино — это «холодные» частицы. Напротив, малая масса нейтрино означает, что эти частицы движутся быстро — и действительно, согласно измерениям, скорость нейтрино близка к скорости света; стало быть нейтрино — это «горячие» частицы. Сходство их — только в том, что и тс, и другие практически не взаимодействуют с обычным веществом. Поэтому столкновения с электронами или фотонами не MOiyr возбудить эти частицы, а следовательно — не могут заставить их светиться. Если бы вся Вселенная состояла только из нейтралино, это была бы темная и «холодная» (состоящая из медленных частиц) Вселенная; если бы она вся состояла из нейтрино, это была бы темная и «горячая» Вселенная. Таким образом, любое большое (в галактических масштабах) скопление нейтралино должно представлять собой невидимую, но массивную область, способную оказывать воздействие на движение галактики как целого.

Но это — как раз те признаки, которыми мы выше охарактеризовали «темное вещество». Поэтому можно с полным основанием сказать, что фактически теория суперсимметрии предсказывает существование темного вещества и объясняет, из чего оно состоит. Остается лишь проверить это объяснение, то есть найти нейтралино в эксперименте. Однако энергии существующих ускорителей недостает, чтобы создать массивное нейтралино, и астрофизики возлагают надежды на непрямые доказательства. Как мы уже говорили, недавно такие указания как будто появились. Приборы, улавливающие потоки гамма-лучей, установленные на спутнике Европейского космического агентства, обнаружили такие потоки, которые можно объяснить только процессами столкновения и взаимного уничтожения очень тяжелых суперчастиц и анти-суперчастиц в центре нашей галактики. Возможно, это и есть искомые нейтралино, причем даже не самые легкие из них.

Другим кандидатом на роль главной составляющей темного вещества является так называемый «аксион». Существование этой экзотической частицы, тоже отсутствующей в «стандартной модели», предсказывается другой новой теорией, а именно — теорией «сильного», или кваркового, взаимодействия (той самой, за которую недавно была присуждена очередная Нобелевская премия по физике). А именно, кварки, из которых состоят частицы атомного ядра — протоны и нейтроны, — располагаются в этих частицах так, что электрически нейтральный нейтрон должен на самом деле представлять собой слабый электрический диполь. Так называют систему, состоящую из положительного и отрицательного зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга: система в целом электрически нейтральна, но поскольку заряды сдвинуты один относительно другого, их электромагнитные поля не компенсируются полностью и система в целом имеет небольшое «дипольное» поле. Благодаря этому она способна излучать электромагнитные волны, если ее заряды то сближаются, то отдаляются. Эксперименты, однако, показали, что дипольное поле нейтрона много меньше, чем предсказывается теорией сильного взаимодействия. Чтобы сохранить теорию (а она очень хорошо объясняет многие другие явления), оказалось необходимым постулировать существование особой частицы, которую назвали аксионом.