Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В начале 1990-х годов темная материя удостоилась первого собственного эксперимента – COSME. На волне внимания, привлекаемого суперсимметрией, один за другим были приставлены к делу многочисленные другие детекторы: NaI32, BPRS, DEMOS, IGEX, DAMA[101] и CRESST-I. Те получили еще какие-то интересные ограничения. В середине 1990-х EDELWEISS получил «самые строгие ограничения, основанные на наблюдении нулевого события»¹⁷⁰.

Однако все это может попросту означать, что разыскиваемая частица взаимодействует слабее, чем предполагалось. И запущены были новые эксперименты: ELEGANTS, CDMS, Rosebud, HDMS, GEDEOn, GENIUS, GERDA, ANAIS, CUORE, XELPLin, XENON 10 и XMASS. CRESST I обновили до CRESST II. CDMS модернизировали до SuperCDMS. ZEPLIN I усовершенствовали до II, а затем и до III. Во всех этих экспериментах были получены интересные ограничения. И новые детекторы с еще большей чувствительностью вступили в строй: CoGeNT, ORPHEUS, SIMPLE, PICASSO, MAJORANA, CDEX, PandaX и DRIFT. В 2013 году участники проекта XENON100 – проверяя вероятность взаимодействия, уже в 100 000 раз меньшую, чем предполагалось исходно, – сообщили, что нет «данных, свидетельствующих в пользу сигнала от темной материи»¹⁷¹. XENON100 недавно превратился в XENON1T. Строятся установки для новых экспериментов.

Минуло тридцать лет. Темная материя все еще не отловлена. Диапазон параметров, где имеет место WIMP-чудо, был между тем исключен[102].

Просто сидеть и надеяться

Но наука требует терпения, напоминаю я себе, и лезу в интернет в поисках свежего оптимизма и энергии. «Твиттер» подсказывает мне Кэтрин (Кэти) Мэк, больше известную как Астрокэти.

Астрокэти недавно стала в «Твиттере» знаменитостью, когда один ее остроумный ответ опубликовала у себя Джоан Роулинг. Я просматриваю ленту Кэти. Селфи с котом, фото с Брайаном Коксом, запись телевизионного интервью с ней и много-много ответов на вопросы по астрофизике. Когда вам необходимо обоснованное мнение о воде на Марсе или об актуальных проектах по поиску темной материи, вы можете рассчитывать на Астрокэти. Когда вы жаждете фактов о гравитационных волнах или об открытых за прошедшую неделю экзопланетах, стоит спросить Астрокэти. А когда вы ищете кого-нибудь, кто сможет открыто выступить на темы сексизма и домогательства в науке, Астрокэти и тут к вашим услугам: она привлекает внимание своей аудитории в «Твиттере» к малому числу представителей меньшинств и женщин в науке, о чем многие ученые предпочли бы забыть.

«Вот продвинутый ученый», – думаю я. И отправляю Кэти сообщение.

За публичным образом Кэти стоит профессиональный астрофизик и научный сотрудник с ученой степенью в Мельбурнском университете (Австралия). Когда мы разговариваем по «Скайпу», на Кэти куртка с логотипом НАСА, и я никогда не видела ничего круче. Я спрашиваю Кэти о ее области исследований и получаю емкий ответ: «Я работала над многими вещами, которыми темная материя, по всей видимости, не является».

«В чем привлекательность этой модели?» – задаю я следующий вопрос.

«В моей области модель интересна, если у нее есть следствия, которые мы можем обнаружить, – говорит Кэти. – Я подхожу к теориям с очень практической точки зрения. Мне интересны по-настоящему впечатляющие новые модели, но только если у них есть следствия, которые можно проверить».

«Работая над диссертацией, я занималась аксионами. Аксионы всегда были моей любимой моделью темной материи, поскольку они играют такую важную роль в стольких вещах. Они возникают из сильного ядерного взаимодействия и затем вписываются в космологию, а также в теорию струн. С точки зрения теории, думаю, аксионы – самые перспективные кандидаты на роль темной материи, потому что вам не приходится доставать их из ниоткуда, они возникают отовсюду, а это, мне кажется, лучше всего».

Аксионы – следующие по популярности после вимпов кандидаты на роль темной материи. Исходные аксионы, придуманные для решения проблемы с тонкой настройкой сильного взаимодействия (сильной CP-проблемы), были сброшены со счетов почти так же быстро, как предложены. Потом теорию подкорректировали так, чтобы аксион мог взаимодействовать только очень слабо. Иногда так прямо и называемую «невидимым аксионом», новую частицу трудно детектировать, и она служит неплохим кандидатом на роль темной материи.

Невидимые аксионы, если существуют, образовывались бы в ранней Вселенной. Они могут возникнуть в состояниях с крайне низкой энергией, а затем сформировать стабильный конденсат, пронизывающий Вселенную. Это могла бы быть темная материя, признаки присутствия которой мы наблюдаем. Но за аксионами не числится никакого чуда, и если вы хотите довести их плотность до плотности темной материи, то вам придется осуществить тонкую настройку их зарождения в ранней Вселенной[103]. Что делает их менее привлекательными, чем вимпы. Но специалисты по физике элементарных частиц все равно симпатизируют аксионам, потому что те придают красивый вид сильному ядерному взаимодействию.

Многие из упомянутых выше экспериментов по поимке вимпов чувствительны также и к аксионам и дали интересные ограничения. Но, в отличие от вимпов, аксионы взаимодействуют с электромагнитными полями, пусть и слабо, и поэтому их можно детектировать, создав мощные магнитные поля, которые превратят небольшую долю приходящих аксионов в фотоны. Этим методом аксионы темной материи ищутся в эксперименте ADMX (Axion Dark Matter Experiment) с 1996 года. В эксперименте ЦЕРН CAST (CERN Axion Solar Telescope), запущенном в 2003 году, идет поиск аксионов, родившихся в Солнце, на энергиях, сильно превышающих энергию аксионов темной материи. В других экспериментах, например ALPS-I и ALPS-II, PVLAS и OSQUAR, пытаются наблюдать обратный процесс – как фотоны превращаются в аксионы, – тщательно изучая поведение света в магнитных полях. Пока ни в одном из этих экспериментов ничего не обнаружили.

К сожалению, в своей диссертационной работе я не сумела найти хороших способов сделать так, чтобы аксионы работали без какой-либо тонкой настройки в одном или другом месте, – говорит Кэти. – Это было не очень весело. Ведь проблема, которую решает аксион, сильная CP-проблема, – это проблема тонкой настройки. Так что если вы порождаете новую проблему тонкой настройки, то просто рядите исходную в новые одежды».

«А что не так с тонкой настройкой?» – спрашиваю я.

«Вообще тонкая настройка сигнализирует о том, что в наших теориях есть что-то неестественное. Если в них присутствует крайне маленькое число, вы вынуждены заключить, что вам очень сильно повезло. Привлекательного в этом мало. Просто кажется, что должно быть какое-то другое объяснение. В иных случаях, когда имелась тонкая настройка, всегда находилось объяснение и в итоге оказывалось, что то была не тонкая настройка».

«Вы сказали “очень сильно повезло”. Но как же можно делать утверждения о вероятности, не имея распределения вероятностей?» – удивляюсь я.

«Что ж, вы правы. Это лишь эстетическое чувство теоретиков, – отвечает Кэти. – Если в теории присутствует маленькое число, им это не нравится. Гораздо приятнее иметь число, близкое к 1. Я не знаю ни одной важной причины, по которой все должно быть именно так – все наши константы должны быть порядка 1. Мы просто так подходим к своим теориям. Это не вполне бритва Оккама, ведь упрощения не происходит, но ощущение такое есть».

«Люди так делают, но следует ли им так делать?» – вопрошаю я.

«Если вы основываете всю аргументацию в пользу существования новой частицы на решении проблемы с тонкой настройкой, то вы, собственно говоря, обязаны ее решить. Но так как сама я модели не разрабатываю, мне не приходится глубоко в это погружаться. Так что тут я немножко агностик. Но я правда считаю, что естественность попросту привлекательнее. И если учесть, как теоретическая физика развивалась, действительно кажется, что руководящий принцип, связанный с простотой, неплох для начала. Так что я поддерживаю озабоченность естественностью. Но не могу делать какие-то громкие заявления, и не должна. И это хорошо».

«Мультивселенная – это выход из положения?»

«Ненавижу мультивселенную, – отвечает Кэти. – Знаю, это клише, но я действительно ее ненавижу. Полагаю, ей присуща своего рода элегантность, ведь вы можете просто махнуть рукой на попытки понять параметры. Но мне не нравится, что ее трудно подвергнуть проверке, и я нахожу ее уродливой. Какая-то неприглядная мешанина, а мы просто случайно тут оказались, и приходится прибегать к антропному принципу… Мне правда не нравится мультивселенная. У меня нет веских доводов против нее, но мне она, ей-богу, не нравится».

«Как вы расцениваете последние данные с Большого адронного коллайдера, ведь масса хиггсовского бозона, похоже, требует тонкой настройки?» – спрашиваю я.

«Я этим активно не занимаюсь, так что не знаю, каковы трудности и каковы ограничения. Просто сижу и надеюсь. Но я сильно бы удивилась, если бы достаточно было просто нагромоздить друг на друга множество эпициклов, чтобы все заработало правильно. У нас есть некоторые указания на то, что нужна новая физика, и непохоже, чтобы суперсимметрия собиралась заработать. Но я оптимист. Полагаю, мы найдем суперсимметрии какую-нибудь замену, которая не будет ужасно подкручена».

«Масса бозона Хиггса, – продолжает Кэти, – тревожит меня в том смысле, что я не знаю, что произойдет. Я слышала, люди говорят, будто это кошмарный сценарий. Но не думаю, что мы зашли в тупик. Наверное, я просто доверяюсь специалистам по физике элементарных частиц – у них появятся новые идеи и новые модели. Мне не кажется это удручающим, скорее, наоборот, волнующим – теперь у нас есть эта большая загадка».

«Может, и нет ничего красивей Стандартной модели, а теперь она станет уродливее, – говорит Кэти, – но чутье мне подсказывает, что мы найдем способ упростить беспорядочную картинку, превратив ее во что-то более цельное. Вот это и привлекало меня всегда в физике: выявление красивой картинки, которая объединяет в себе беспорядочные вещи».

«Вас не беспокоит, что эксперименты по детектированию темной материи ничего не дали?» – спрашиваю я.

«Я не слишком-то тревожусь, что частица не обнаружилась. Думаю, свидетельства в пользу того, что темная материя состоит из частиц с определенными свойствами, стали только надежнее. У нас теперь есть более сильные ограничения, и становится труднее поймать эту частицу – и это облом. Но все очень хорошо укладывается в схему, согласно которой темная материя состоит из частиц. Страшно интересно, что бы это могло быть. Я беспокоилась бы, что темная материя, возможно, состоит не из частиц, будь у нас другая модель, столь же хорошо согласующаяся с данными».

«Определенно есть люди, утверждающие, что модифицированная гравитация может не меньше», – напоминаю я.

[101] Коллаборация DAMA детектирует статистически значимые события неизвестного происхождения, частота которых периодически меняется в течение года (Bernabei R. 2008. First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI. Eur. Phys. J. C56: 333–355. arXiv:0804.2741 [astro-ph]). Участники этой коллаборации получают такие сигналы уже больше десяти лет. Подобное изменение сигнала в течение года – как раз то, чего мы ожидали бы от темной материи, потому что вероятность детектирования сигнала от темной материи зависит от направления, с которого приходят ее частицы. Поскольку Земля на своем пути вокруг Солнца движется в предположительно существующем облаке темной материи, направление приходящего потока частиц темной материи в течение года менялось бы. К сожалению, результаты других экспериментов исключили возможность того, что сигнал DAMA связан с темной материей, поскольку если бы это было так, то и другие детекторы должны были бы его зарегистрировать, а этого не произошло. Никто до сих пор не знает, что детектирует DAMA.

[102] Некоторые физики не согласны с этим утверждением и считают, что отдельные области параметрического пространства для WIMP-чуда еще не исключены. Разногласие связано с тем, что существует не одна модель для вимпов, а много разных. Исходный вимп взаимодействовал посредством W-бозона и описывался определенной группой симметрии. Этот вариант был отбракован. Однако другие типы частиц или иные способы опосредовать взаимодействие все еще совместимы с имеющимися данными.

[103] Это если аксионы возникли до инфляции. Если же после – плотность конденсата аксионов могла быть как раз правильной, чтобы сформировать темную материю. Однако конденсат – это лоскутное одеяло из областей, разделенных границами под названием «доменные стенки», и доменные стенки имеют плотность энергии слишком высокую, чтобы быть совместимыми с наблюдениями.