Калейдоскоп | Невыносимая легкость темной материи

Невыносимая легкость темной материи
Что такое аксионы и где их искали российские астрофизики

Несмотря на то, что пока напрямую обнаружить темную материю никому не удается, исследователи планомерно исключают одну гипотезу за другой — и недавно группа российских ученых вместе с их финским коллегой сделала еще один шаг в этом направлении. Темная материя, по новым данным, не может состоять из сверхлегких частиц, чья масса на много порядков уступает даже массе нейтрино: кандидаты на звание «частицы темной материи» должны быть или еще легче, или тяжелее, чем предполагалось раньше.

В статье, которая пока доступна на репозитории препринтов научных статей arXiv.org, физики из Института ядерных исследований РАН и еще нескольких научных организаций (включая университет Аальто в Финляндии) рассматривают гипотезу, согласно которой темная материя состоит из так называемых аксионоподобных сверхлегких частиц. Слово «сверхлегкие» означает, что эти частицы должны иметь очень малую массу: вплоть до 10 to the power of negative 23 end exponent электронвольт.

Строго говоря, в электронвольтах измеряется энергия — 1 эВ это чуть больше энергии кванта видимого света. Но в теории относительности масса связана с энергией знаменитым соотношением E equals m c squared и ничто не мешает использовать электронвольты для массы. Это удобно, когда килограмм и грамм оказываются непрактично велики.

Масса протона составляет примерно миллиард эВ (или 1 ГэВ, гигаэлектронвольт), электрон потянет на миллион эВ (1 МэВ, мегаэлектронвольт), так что гипотетические аксионоподобные частицы — все равно что мышь на фоне Земли. Столь легкие объекты крайне сложно поймать какими-либо детекторами, поэтому они оказываются вполне подходящими кандидатами на роль неуловимой и невидимой материи.

Неуловимость частиц могла бы сделать гипотезу полностью вненаучной (существование того, что никак нельзя поймать, нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть), однако у физиков нашелся способ все-таки сопоставить предположение об ALP, сверхлегких аксионоподобных частицах, с результатами наблюдений. Помогло им наблюдение активных ядер галактик в радиодиапазоне: испускаемые центром галактик струи раскаленной плазмы позволили сделать вывод, что если ALP и существуют, их масса не может принимать значения от 5​*10^-23 эВ до 1,2*10^-21 эВ. Конечно, ALP все еще могут оказаться легче или тяжелее, но ограничение пространства дальнейших поисков — уже значительный шаг на пути к поимке загадочных частиц. Если они существуют.

Бозон Хиггса, для сравнения, искали примерно так же: серия разных экспериментов на разных ускорителях последовательно закрывала одну возможность за другой. Поначалу ученые говорили, что частица не может быть легче некоторых значений, минимальная масса бозона росла из года в год — и только затем физики подтвердили ее существование непосредственными наблюдениями в Большом Адронном Коллайдере. Каждый шаг здесь не столь эффектен сам по себе, но без таких приближений открытия не делаются.

Джет из активного ядра галактики M87, одной из ближайшей к нам эллиптических галактикNASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Взгляд в бездну

Активное ядро галактики это место, где находится сверхмассивная черная дыра с массой в сотни миллионов масс Солнца. Черная дыра постоянно поглощает окружающее ее вещество, и этот процесс идет с большим выделением энергии: падающая материя сначала закручивается в дискообразное облако, потом часть ее выбрасывается наружу вдоль оси вращения. Струя, бьющая вдоль оси, называется «джетом» — скорость частиц в нем достигает околосветовых значений. В том же направлении испускается гамма-излучение, а вбок идет уже электромагнитное по всему диапазону, включая радиоволны и свет.

Галактика M87 в радиодиапазоне с разным масштабом. Исследователей интересовала часть, показанная крупным планом снизу, причем наблюдения за окрестностями черных дыр необходимо было вести на протяжении длительного времениNASA, National Radio Astronomy Observatory/National Science Foundation, John Biretta (STScI/JHU), and Associated Universities, Inc.

Не заметить активное ядро галактики невозможно. Современные телескопы часто фиксируют активные ядра, удаленные от нас на миллиарды световых лет, а аналогичные объекты поближе астрофизики очень пристально рассматривают, в надежде понять, как же они устроены и что же находится в самом центре. Ученые используют полный набор инструментов, от оптических телескопов до радио- и гамма-обсерваторий, причем наблюдение в радиодиапазоне дает изображения с самым лучшим разрешением.

Разрешением прибора — от телескопа до дисплея телефона - называют способность передавать как можно более мелкие детали. На дисплее для этого делают как можно более мелкие пиксели, а в случае с телескопами самый верный способ заключается в постройке инструмента большего диаметра. Или в использовании нескольких телескопов для одновременного наблюдения, иногда это дает еще лучшую картинку.

Наблюдения за десятью активными ядрами галактик позволили собрать информацию о радиоизлучении, испускаемым их джетами и узнать, как оно меняется по интенсивности и поляризации, то есть направлению колебаний электрического поля в электромагнитной волне. Электромагнитные волны, будь то свет или радиоволны, представляют собой колебания электрического и магнитного полей, причем поля эти могут колебаться либо во всех возможных направлениях, либо только в какой-то одной плоскости - тогда говорят, что излучение линейно поляризовано. Ряд физических процессов дает линейно поляризованное излучение и сверхлегкие кандидаты в темную материю, ALP, как раз должны были, согласно теоретическим предсказаниям, влиять на поляризацию излучения от джетов.

О том, как проводились наблюдения, «Чердак» поговорил с одним из авторов статьи — Юрием Ковалевым, доктором наук и руководителем лабораторий в ФИАН и МФТИ:

[Chrdk.]: Почему вы выбрали именно эти галактики? Ведь галактик с активными ядрами много, взять ту же попавшую на снимки «Хаббла» М87.

[Юрий Ковалев]: Мы отобрали все активные галактики из нашего мониторинга на VLBA (программа MOJAVE), для которых мы смогли качественно измерить и проследить достаточно долго во времени направление линейной поляризации излучения выделенных областей их джетов. Для проведенного теста на аксионы надо было иметь «фоновый» источник поляризационного излучения с хорошо измеренными во времени свойствами.

[Ch]: А почему в этом исследовании не использовался «РадиоАстрон», российская космическая обсерватория, которая в сочетании с наземными инструментами дала бы еще более качественную картинку?

[ЮК]: «РадиоАстрон», конечно, лучше разрешит и картографирует области джетов. Вы совершенно правы. Но «РадиоАстрон» не ставил своей целью мониторинг — долговременное слежение за многими объектами и частое построение их изображений. Это было бы для него слишком дорого - забрало бы слишком много наблюдательного времени. «РадиоАстрон» решает много других важных и разнообразных задач. Для данной задачи разрешения VLBA вполне достаточно.

Фотон радиоизлучения на частоте 15 гигагерц — это в семь с половиной раз выше частоты, используемой в микроволновках — имеет энергию около шести статысячных электронвольта (6*10^-5 эВ), в десятки миллионов миллиардов раз больше массы предполагаемых ALP. Но при расстоянии в сотни световых лет от Земли до источника излучения и значительной концентрации сверхлегких частиц вблизи галактики (их суммарная масса в десятки раз больше массы всего видимого вещества!) даже небольшое влияние гипотетических частиц должно было становится заметным… если, конечно, ALP в самом деле существуют.

Судя по тому, что полученные данные с хорошей точностью совпали с предсказаниями модели «никаких ALP в заданном диапазоне масс нет», гипотезу следует закрыть или, как говорят физики, ограничить. Самые тяжелые объекты во Вселенной помогли нам разобраться с потенциально самыми легкими частицами — благодаря как своей невообразимой массе, так и тому, что радиоволны от них шли к параболическим антеннам на Земле со времен появления первых четвероногих животных и господства гигантских папоротников.

Одно из изображений джета галактики 3С 120. Верхний, цветной, контур показывает интенсивность излучения (шкала нарисована справа), а нижний обозначает поляризацию радиоволн (черточки соответствуют плоскости колебаний электрического поля в волне)M.M. Ivanov et al., Constraining the photon coupling of ultra-light dark-matter axion-like particles by polarization variations of parsec-scale jets in active galaxies / arXiv.org

Что такое ALP и почему именно они?

Для ответа на вопрос «что такое темная материя?» можно придумать множество объяснений. Однако не все они будут научными — так, версии «это скрытые корабли пришельцев» или «мы на самом деле живем в Матрице, где плохо прописано окружающее пространство» явно страдают как минимум принципиальной непроверяемостью.

В пределах только физики, ограничения на производство гипотез о темной материи еще строже. Все основные предположения на сегодня строятся не просто по принципу «что бы такого трудноуловимого придумать?» — исследователи пытаются найти потенциальных кандидатов на роль неуловимой материи в теориях, изначально призванных решить иные задачи.

Те же ALP, аксионоподобные легкие частицы, представляют собой развитие идеи аксионов, придуманных — да, никто никогда никаких аксионов не видел — задолго до выхода темы темной материи на передний край физики. Аксионы являются одним из возможных решений задачи, которая до сих пор числится среди самых фундаментальных загадок: почему во Вселенной больше обычной материи в сравнении с антиматерией? Законы физики в известном нам виде гласят, что, скажем, электронов (малая масса, отрицательный заряд) должно бы быть поровну с позитронами (та же масса, но положительный заряд той же величины), равно как и число кварков должно более-менее совпадать с количеством антикварков.

Одна из антенн системы VLBA в США. Параболическое зеркало позволяет собрать радиоволны с большой площади, ловить очень слабые сигналыAntony-22 / Wikimedia commons

Конечно, для нас перекос в сторону обычного вещества есть безусловное благо, ведь смесь наших частиц с равным количеством их антиподов быстро бы аннигилировала «в нули», породив лишь непригодное к строительству атомов излучение. Будь Вселенная симметрична — CP-симметрична, как говорят теоретики — нас бы не существовало. Но что-то эту симметрию нарушило. Вопрос «что именно?» вкупе с «почему это нарушение происходит только в определенных случаях?» не решен до сих пор, и аксионы как раз возникают в одной из теорий, призванной дать на эти вопросы ответ.

Не вдаваясь в дебри теоретических моделей, можно сказать что аксионы придумали в 1977 году и ряд опытов с тех пор существенно ограничил их параметры. Аксионы искали и среди летящих от Солнца частиц, их пытались создать при помощи особо мощных лазеров, для их поиска даже использовали поток тепла от земного ядра (идея состояла в том, что аксионы от Солнца нагреют планету выше расчетных значений), однако пока все эти попытки успехом не увенчались. Возможно, аксионы так и останутся на бумаге, поэтому «Чердак» задал вопрос Сергею Троицкому, другому автору новой работы и физику из отдела теоретической физики ИЯИ РАН, доктору наук:

[Chrdk.]: Почему вы выбрали аксионоподобные частицы из всего множества известных кандидатов на роль темной материи?

[Cергей Троицкий]: Потому что они классные! Моделей много, а эту вот таким неожиданным красивым способом можно проверять и ограничивать. Для поиска других частиц нужно строить дорогие эксперименты, а эти оказалось возможным изучить, просто подняв архивные данные уже наблюденных для других целей галактик. А вдруг бы мы такие частицы открыли?! Это во-первых.

[Ch.]: А во-вторых?

[СТ]: Тут сначала стоит сказать, почему есть интерес к сверхлегкой темной материи, чем она отличается от модели темной материи из частиц «обычной» массы. Это связано с тем, что сверхлегким частицам трудно образовывать структуры на масштабах, меньших их дебройлевской длины волны. У таких сверхлегких дебройлевская длина порядка 0,1-1 килопарсека, значит, структуры меньших масштабов с ними будут подавлены. А это как раз одна из проблем обычной (тяжелой, холодной и невзаимодействующей) темной материи — теория предсказывает много структур на малых масштабах, которых на самом деле в наблюдениях нет.

Дебройлевская длина волны — это квантовая характеристика объекта. В квантовой механике любой объект можно описать одновременно и как частицу, и как волну; длина этой волны прямо связана с массой объекта. Для чего-то комнатного масштаба или даже для наночастиц длина волны получается столь мала, что никаких специфических волновых эффектов увидеть не получится (и тот же кот Шредингера останется абстракцией) — а вот пучок электронов будет рассеиваться на препятствии уже именно как волна, а не как летящие частицы.

В случае, когда дебройлевская волна имеет длину в сотни световых лет, собрать из таких объектов что-то меньше масштаба галактики оказывается затруднительным, уже в пределах одной звездной системы сверхлегкие аксионы будут скорее волнами, чем частицами. К этому исследователь добавил, что частицы очень малой массы, которые при этом способны взаимодействовать с фотонами (и тем самым проявляющие себя в астрофизических наблюдениях) получаются как раз в теории, которая при помощи аксионоподобных частиц объясняла нарушенную симметрию во Вселенной.

Правда, как признался исследователь, сам он считает что темная материя скорее состоит и не из ALP: «Мне не нравятся сверхлегкие частицы — слишком уж они легкие, ведь кроме устойчивости такой маленькой массы, хорошо было бы и объяснить ее величину. Но их тоже надо изучать, пока они не исключены, и мы изучаем. Мне, к сожалению, наиболее вероятным вариантом кажется частица (или целый мир частиц), которая никак не взаимодействует с нашим миром, кроме гравитации; поэтому никак мы ее простыми методами не найдем. Красивый вариант, моя любимая темная материя — Q-шары из невзаимодействующего с обычным веществом и излучением поля. Но изучать и искать будем, конечно, не только любимую».

Алексей Тимошенко

Источник