«Они находятся внутри ядра»

Уже много лет астрофизики бьются над главной головоломкой мироздания: галактики вращаются слишком быстро. Если бы существовала только видимая материя, гравитация разорвала бы их в клочья. Значит, есть нечто, что мы не видим, но что обладает массой,— темная материя.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Десятки экспериментов не смогли «поймать» ни одной ее частицы. Российские ученые из НИЯУ МИФИ вместе с коллегами из ЮФУ, Университета Тор Вергата и INFN предложили не просто новую частицу, а целую «темную химию» и концепцию «темного атома». О том, почему это не фантастика, как объяснить аномалию детектора DAMA/LIBRA и где искать многозарядные частицы, «Ъ-Науке» рассказывает один из руководителей исследования, профессор кафедры физики элементарных частиц НИЯУ МИФИ Максим Хлопов. Вместе с коллегами он разработал модель, в которой темная материя образует нейтральные «темные атомы» из сверхтяжелой частицы X и ядер гелия.

— В чем принципиальное отличие концепции «темной химии» с аналогами электронов, протонов и фотонов от прежней охоты за одной-единственной частицей темной материи?

— Следует отметить, что неизбежные расширения Стандартной модели фундаментальных взаимодействий, необходимые для решения ее проблем, предсказывают очень широкий круг возможных кандидатов на роль частиц скрытой массы. Прежнюю охоту за одним-единственным типом частиц скрытой массы — массивными слабовзаимодействующими частицами (WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles) — стимулировали расчеты их современной плотности, соответствующей наблюдаемой плотности скрытой массы, ожидание открытия суперсимметричных партнеров таких частиц на БАК и возможность регистрации ядер отдачи от редких событий столкновения этих частиц в подземных детекторах. Отсутствие положительных результатов — как поиска суперсимметричных частиц в БАК, так и эффектов ядер отдачи в подземных экспериментах — заставляет обратиться к анализу других возможных форм скрытой массы. При этом гипотеза «темных атомов» привлекает только одно-единственное отклонение от известной физики — существование их -2nе заряженных составляющих.

— Сверхтяжелая частица X захватывает ядро гелия, образуя нейтральный «темный атом». В обычном мире положительный гелий и отрицательный электрон притягиваются и дают стабильный атом. А что удерживает вашу пару? Ведь частица X и ядро гелия — это два тяжеловеса. Не разлетятся ли они от малейшего толчка?

— Ни в коем случае, чем больше масса составляющих связанной системы заряженных частиц, тем больше их энергия связи. Мюон в 210 раз тяжелее электрона, и в экспериментально исследуемых мюонных атомах соответственную величину дают измерения их энергии связи. В случае Х ситуация еще более интересная. Они представляют собой многозарядный электрон, в миллионы раз более тяжелый, так что их связное состояние с ядром выглядит как атом Томсона — они находятся внутри ядра и компенсируют его электрический заряд. По сути, получается новая форма нейтральной ядерной материи.

— Во Вселенной водорода гораздо больше, чем гелия. Почему частица X в вашей модели захватывает именно ядро гелия, а не простой протон? Это случайность или у этого выбора есть глубокое физическое обоснование?

— Конечно, водорода больше, и если бы Х были свободны, то они бы предпочтительно с ним связывались. Но поскольку энергия связи с водородом в 16 раз меньше, чем с гелием (пропорционально квадрату заряда и массе), в период, когда образуется первичный гелий, температура столь высока, что связные состояния Х с водородом должны быть полностью ионизованы, так что, когда в ходе расширения Вселенной температура уменьшается и Х могли бы связываться с протонами, свободных Х просто не остается — все Х уже связаны с гелием.

— Это звучит почти как магия: невидимая частица, которая почти ни с чем не взаимодействует, вдруг «прилипает» к ядру натрия и дает вспышку. Объясните этот процесс на бытовом уровне.

— Не совсем так. Это нейтрализованное ядро, у него ядерное взаимодействие, за счет которого космические темные атомы, упруго взаимодействуя с ядрами вещества земной породы, термализуются и диффундируют к центру Земли. В условиях подземных экспериментов они диффундируют, проходя метр за секунду, испытывая упругие столкновения с ядрами. Но в редких случаях они сталкиваются неупруго и прилипают к ядрам. Расчеты показывают, что прилипание к натрию более вероятно, чем к иоду, в эксперименте DAMA/LIBRA, и при таком прилипании выделяется энергия именно в том диапазоне, в котором регистрируются сезонные сигналы в этом эксперименте.

— Многие слышали, что эксперимент DAMA/LIBRA десятилетиями наблюдает странный сезонный сигнал, а более современные и чувствительные детекторы вроде XENONnT ничего не видят. Ваша модель объясняет это тем, что у разных ядер разная «способность» ловить темные атомы. Но для обычного человека это звучит как оправдание: «нам не повезло, у других просто не тот материал». Как вы можете убедительно доказать, что это не отговорка, а реальное физическое предсказание вашей теории?

— Здесь дело не в селективности, а в том, что поиск WIMP основывается на регистрации ядер отдачи в определенном диапазоне энергий. В условиях подземных экспериментов темные атомы уже термализованы и отдача ядер в упругих столкновениях значительно ниже порога регистрации. Более того, если темный атом прилипает к ядру ксенона, то выделяется энергия, значительно большая, чем ожидаемый эффект отдачи, и эти события воспринимаются как фоновые.

— «Целый темный мир со своей химией, физикой и, кто знает, историей» — насколько далеко можно зайти в этой фантазии? Могут ли там быть темные молекулы, темные планеты, темная эволюция? Или это чистая поэтическая метафора, а на самом деле «темная химия» сводится к двум-трем типам частиц?

— Фантастические только следствия, строго вытекающие из корректного квантовомеханического описания структуры и взаимодействия темных атомов. Возможно, этот термин не совсем удачный, поскольку наводит на мысль о темной химии, в то время как здесь мы имеем дело с новым типом ядерной материи и новым видом ядерных процессов. Мы сейчас только приступаем к анализу всей полноты их физических и астрофизических проявлений. Главное новое физическое явление — стабильные многозарядные частицы. Их поиск на БАК может либо исключить нашу гипотезу, либо экспериментально подтвердить ее, проливая свет на природу темной материи и в том числе открывая прорыв в ядерной технологии.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки