Молнии на Сатурне
Как грозы на планетах-гигантах помогают искать частицы темной материи
Российские ученые предложили новый необычный способ искать следы Новой физики, используя грозы на планетах-гигантах в качестве исполинских естественных лабораторий. Оказывается, если бы существовали некоторые гипотетические, не открытые еще частицы, то грозовые облака на Сатурне разряжались бы совсем иначе.
Фото: NASA / JPL-Caltech
Фото: NASA / JPL-Caltech
Но так как аппарат Cassini наблюдал обычные молнии, значит, часть возможных моделей уже можно ограничить. Таким образом, молнии на кольценосном гиганте позволяют накладывать рекордные ограничения на существование гипотетических миллизаряженных частиц — возможных кандидатов на роль темной материи. Это пример новой тенденции современной науки, когда данные космических миссий начинают использоваться для решения задач физики элементарных частиц, чего при их запуске никто не планировал.
Обо всем этом было рассказано в научной статье, опубликованной недавно в журнале European Physical Journal C, а также зачитан интересный доклад на конференции Quarks. Для «Ъ-Науки» о своей работе рассказывают ее авторы — Екатерина Дмитриева, стажер-исследователь Института ядерных исследований РАН и аспирант кафедры физики частиц и космологии физфака МГУ, а также Петр Сатунин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела теоретической физики ИЯИ РАН. Работа была поддержана грантом РНФ 25-22-00932.
— Что ученые называют Новой физикой? Почему считается, что Стандартная модель элементарных частиц неполна? Какое место в этой картине занимают миллизаряженные частицы и что это вообще такое?
— Екатерина Дмитриева: Стандартная модель не объясняет всего, что мы наблюдаем. Самые известные примеры — темная материя и темная энергия. Миллизаряженные частицы рассматриваются как один из возможных кандидатов на роль темной материи. Это так называемая заряженная темная материя. Особенность миллизаряженных частиц в том, что их электрический заряд во много раз меньше заряда электрона (даже не в тысячу раз, если судить по названию, а, может быть, на 10–15 порядков), масса их тоже может быть меньше электронной, и они крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом.
В нашей работе рассматривается эффект Швингера — процесс рождения пары «частица—античастица» в сильном электрическом поле. Для рождения электрон-позитронной пары в таких условиях нужны поля, которые в нынешних лабораториях недостижимы. Однако если существуют миллизаряженные частицы, то для их рождения достаточно гораздо более слабых полей — таких, которые, во всяком случае, могут возникать в природе.
— Петр Сатунин: Миллизаряженные частицы — это лишь одна из возможных гипотез Новой физики. Говорят еще об аксионах, темных фотонах, других частицах так называемого скрытого сектора. Наш метод предлагает искать миллизаряженные частицы через их рождение в сильных электрических полях, причем такие частицы могут быть как бозонами, так и фермионами, однако миллизаряженные фермионы не могут быть всей темной материей, только ее маленькой частью.
— А можно без сложных формул объяснить, что такое эффект Швингера?
— Е. Д.: Это рождение реальных частиц из вакуума. В квантовой теории вакуум не является пустотой, его можно представить как постоянно «кипящий» мир виртуальных частиц, в котором возникают и исчезают пары «частица—античастица». Если создать достаточно сильное электрическое поле, оно передает им энергию, и виртуальные частицы становятся реальными. Закон сохранения энергии при этом не нарушается — энергия приходит именно из внешнего поля.
— Ваша работа основана на идее, что грозовые облака могли бы разряжаться не молниями, а рождением новых частиц. Как это работает?
— Е. Д.: Грозовые облака — это своего рода огромный конденсатор. В одном облаке накапливается положительный заряд, в другом — отрицательный. Когда напряженность поля достигает критического значения, происходит пробой — возникает молния. Есть какое-то критическое значение заряда, при котором происходит молния. На каждой планете за счет особенностей атмосферы это значение свое.
Но мы рассматриваем и другой сценарий. Если существуют миллизаряженные частицы, заряд может уходить не через молнию, а за счет массового рождения этих частиц. Они быстро уносят заряд, конденсатор разряжается, и молния уже не возникает. Поэтому сам факт существования молний позволяет ограничить параметры таких частиц. Если бы эффект Швингера начинался раньше, грозы выглядели бы совсем иначе.
— То есть само существование молний уже исключает некоторые варианты Новой физики?
— Е. Д.: Скорее не исключает, а ограничивает. Мы не закрываем модель миллизаряженных частиц, а лишь существенно сужаем область возможных параметров.
— Почему именно Сатурн оказался лучшей лабораторией? Чем он удобнее Земли и даже Юпитера?
— Е. Д.: На самом деле лучшие результаты получаются для крупнейших газовых гигантов — Юпитера и Сатурна. Просто потому, что там самые большие облака, самые длинные молнии и самые сильные электрические поля. Это самые большие природные конденсаторы, и это очень важно: от этого зависит масса частицы и ограничения на нее.
Результаты для Юпитера и Сатурна близки, но по Сатурну есть гораздо более качественные данные благодаря миссии Cassini. Поэтому именно для него удалось получить самые строгие ограничения.
— Насколько эти результаты зависят от модели атмосферы? Ведь напрямую никто не измерял электрические поля внутри грозовых облаков Сатурна.
— Е. Д.: Модель самой грозы вполне стандартная: облака работают как конденсатор, который затем разряжается. Неопределенность связана с тем, при каком именно поле происходит пробой. Это зависит от состава и плотности атмосферы. Для Сатурна, Юпитера и Венеры эти параметры известны достаточно хорошо. Для Урана и Нептуна данных намного меньше. В основном они получены еще аппаратом Voyager 2 в конце 1980-х.
— П. С.: Конечно, многие параметры известны лишь с точностью до порядка величины. Мы видим сами молнии — и по радиосигналам, и оптически,— но внутреннее устройство грозовых облаков остается предметом моделирования. Поэтому наши ограничения в определенной степени зависят от выбранной модели.
— В статье говорится, что получены «лучшие ограничения в мировой литературе». Что это означает и насколько это все ново и неожиданно?
— Е. Д.: До нашей работы ограничения на миллизаряженные частицы получали, например, по наблюдениям белых карликов, красных гигантов и сверхновой SN 1987A. Нам удалось их существенно улучшить: для некоторых параметров — примерно на десять порядков.
Это означает, что среди всех опубликованных результатов именно наши ограничения сегодня являются самыми строгими. Мы не обнаружили новые частицы, но значительно сузили область, где их стоит искать.
— П. С.: Новизна работы не только в самих ограничениях, но и в методе. Идея использовать эффект Швингера в конденсаторе известна давно, были и оценки для земных гроз. Одними из первых ее предложили Михаил Волошин и Синь Ли. Волошин раньше работал в ИТЭФ, а затем — в Университете Миннесоты. Мы распространили этот подход на атмосферы планет-гигантов, рассмотрели разные конфигурации облаков, а также отдельно бозоны и фермионы. Именно сочетание гигантских размеров грозовых систем и сильных электрических полей на Сатурне позволило получить рекордную чувствительность.
Если миллизаряженные частицы — бозоны, а облака имеют слоистую структуру, то между слоями возникает потенциальная яма. Родившиеся миллизаряженные частицы могут в ней накапливаться, и это дополнительно усиливает швингеровское рождение. Мы этот эффект тоже учитываем. Кроме того, на планетах-гигантах сами «конденсаторы» намного больше. Если на Земле расстояние между облаками обычно составляет порядка 1–10 км, то на Юпитере и Сатурне — уже 10–100 км. Там сильнее электрические поля, мощнее молнии, поэтому удается получить гораздо более строгие ограничения. При этом наше главное предположение состоит в том, что облака имеют слоистую структуру с чередованием положительно и отрицательно заряженных слоев. Тогда отрицательно заряженный слой образует потенциальную яму, в которой могут накапливаться положительно заряженные миллизаряженные бозоны. Именно за счет этого бозе-усиления мы и получаем самые сильные ограничения.
Для фермионов ситуация обратная. Они не могут бесконечно заполнять одно и то же квантовое состояние из-за принципа Паули. Поэтому потенциальная яма уже не усиливает, а, наоборот, подавляет накопление частиц и ослабляет швингеровское рождение. Этот случай мы тоже рассмотрели.
— Какие ваши дальнейшие планы? Можно ли ожидать, что будущие миссии к планетам-гигантам позволят сделать ограничения еще более строгими? И может ли подобный метод когда-нибудь не только ограничить параметры новых частиц, но и обнаружить их?
— Е. Д.: Данные, которые мы использовали сейчас, пока не очень точные. Очень мало аппаратов исследовало атмосферы планет напрямую. В основном мы используем наблюдения с орбиты — например, данные Cassini для Сатурна, а часть информации вообще получена с Земли. Поэтому новые космические миссии, конечно, смогут значительно уточнить наши результаты.
Нам хотелось бы придумать способ не только ограничивать параметры новых частиц, но и обнаруживать их. Некоторые идеи уже есть, но говорить о них пока рано. Скорее всего, сначала речь пойдет о косвенных признаках — например, необъяснимых потерях энергии или неизвестных источниках излучения, которые можно было бы связать с рождением новых частиц.
— После десятилетий поисков убедительных следов Новой физики пока не нашли ни на Большом адронном коллайдере, ни в экспериментах по поиску темной материи. Можно ли сказать, что поиск постепенно смещается в сторону природных лабораторий — звезд, планет, нейтронных звезд?
— Е. Д.: Думаю, да. Многие процессы, связанные с экстремально сильными полями, невозможно воспроизвести на Земле. Эффект Швингера — хороший пример. Мы пока просто не умеем создавать такие поля, а в природе они существуют — например, у нейтронных звезд или в атмосферах планет-гигантов. Поэтому космические объекты становятся естественными лабораториями для проверки гипотез Новой физики.
— В заключении статьи вы пишете, что аналогичный подход можно использовать и для поиска аксионов или темных фотонов. Почему именно эти кандидаты выглядят наиболее перспективными с этой точки зрения?
— Е. Д.: Аксион сегодня считается одним из самых популярных кандидатов на роль темной материи. При этом он интересен еще и тем, что помогает решить одну из фундаментальных проблем Стандартной модели. Темные фотоны тоже активно изучаются современной физикой, поэтому естественно попытаться применить похожие идеи и к ним.
— П. С.: Пока это скорее направление для будущих исследований. Конкретный механизм поиска аксионов или темных фотонов с помощью гроз на других планетах мы еще не придумали, иначе это была бы уже следующая статья. Но в лабораторной физике известны процессы рождения таких частиц в сильных полях, поэтому не исключено, что удастся найти похожие механизмы и в атмосферах газовых гигантов.
— Еще десять-пятнадцать лет назад главными кандидатами на роль темной материи считались WIMP — тяжелые слабо взаимодействующие частицы. Почему сегодня внимание физиков больше сосредоточено на аксионах?
— П. С.: WIMP действительно долгое время были основной гипотезой. Их искали и на Большом адронном коллайдере, и в многочисленных подземных экспериментах, где пытались зарегистрировать их столкновения с атомными ядрами. Были отдельные намеки на возможный сигнал, но независимые эксперименты их не подтвердили. За последние годы область возможных параметров WIMP удалось очень сильно ограничить. Поэтому интерес постепенно сместился к другим кандидатам.
Аксион особенно интересен тем, что был предложен не только как частица темной материи. Изначально он появился как решение так называемой сильной CP-проблемы Стандартной модели. Получается, одна гипотетическая частица одновременно отвечает сразу на несколько фундаментальных вопросов.
Миллизаряженные частицы и темные фотоны — более экзотичные кандидаты. Но сегодня физики исследуют самые
разные варианты, потому что мы точно знаем: темная материя существует, хотя пока не понимаем, из чего она состоит.
— Получается любопытная история: аппарат Cassini запускали вовсе не для поиска Новой физики, однако спустя годы его данные неожиданно пригодились именно для этого. Наверное, это не единственный подобный пример?
— Е. Д.: Больше всего мне нравится сама идея этой работы: использовать огромные макроскопические объекты — грозы на планетах — для поиска явлений микромира. Такое соединение разных масштабов кажется мне очень красивым.
Кроме того, сама идея миллизаряженных частиц не выглядит фантастической. Ведь частицы с дробным электрическим зарядом уже существуют — это кварки. Поэтому вопрос о существовании подобных объектов вполне естественен.
— П. С.: Мне кажется очень важной именно междисциплинарность этой работы. Исследования планет Солнечной системы и поиски Новой физики обычно проходят почти независимо друг от друга. А здесь оказалось, что данные одной области могут неожиданно помочь другой.
Именно на стыке разных направлений нередко появляются самые интересные идеи. Сегодня нам удалось поставить новые ограничения. Но если когда-нибудь подобный подход приведет к обнаружению новой частицы, это будет уже настоящее открытие.