Найти тёмную материю

Если тёмная материя существует, из каких частиц она состоит? Ответ на этот вопрос уже несколько десятилетий ищут в Троицке, на базе института ядерных исследований, где проводится уникальный эксперимент Троицк-ню-масс.

О нём рассказывает И.И. Ткачев, заведующий отделом экспериментальной физики ИЯИ РАН, академик РАН.

– Игорь Иванович, мы находимся в святая святых вашего института –  в зале, где проводится уникальный эксперимент «Троицк ню-масс». Мы видим знаменитую установку, которую в институте любовно называют бочкой. Как я понимаю, сейчас, в данный момент, эксперимент не проводится. А что происходит, когда он проводится?

– Эксперимент проводится сеансами: две-три недели установка работает, потом несколько месяцев «отдыхает». Хотелось бы, конечно, непрерывно, но это просто невозможно физически. Когда здесь кипит работа, тут очень сильно все гудит, потому что здесь очень много насосов. «Бочка» – это только одна маленькая часть, электростатический спектрометр. А, например, справа от меня – безоконный газовый источник трития. В нём очень много насосов, которые гоняют этот тритий по кругу. Тут гелиевые температуры, сверхпроводимость, потому что это все в сверхсильных магнитных полях. Для сверхпроводимости нужна криогеника. По трубам опускается жидкий гелий, он охлаждает магниты.

– Насколько все это безопасно? Не случалось ли здесь каких-то инцидентов, аварий?

– Мы сертифицированы, есть лицензия. Тритий радиоактивен, но все надежно защищено и под контролем, аварий не было, хотя установке 30 лет.

– Игорь Иванович, расскажите, в чем суть эксперимента «Троицк ню-масс»?

– Есть такие частицы – нейтрино, о которых многие слышали. Они очень легкие, но играют очень важную роль. Их много. Например, от солнца каждую секунду через человека пролетает несколько триллионов нейтрино. Мы этого никак не чувствуем, потому что они очень слабо взаимодействуют. И именно поэтому изучать их трудно. Кроме того, они отличаются от всех других частиц стандартной модели.

– Насколько я понимаю, они в нее не вписываются, что и мешает этой модели считаться законченной.

– Да, они не вписываются в стандартную модель. Еще до появления стандартной модели, в 1956-м году, было открыто нарушение четности. Придумали простое, элегантное объяснение, что нейтрино другие, не такие как остальные частицы, а именно, они безмассовые. А если они безмассовые, у них очень специальные свойства. Все остальные фермионы – кварки, лептоны, электроны, протоны – имеют левые и правые компоненты. Это как если взять волчок и закрутить: можно влево закрутить, а можно вправо. Это грубая аналогия, но примерно отражающая суть вещей. Так и все остальные частицы: одни в левую сторону крутятся, другие – в правую.

– А что означает нарушение четности?

– В физике есть законы симметрии. Эти симметрии гарантируют существование законов сохранения. Например, однородность пространства и времени приводит к сохранению импульса и энергии. Еще одна возможная симметрия – это отражение в пространстве, которая приводит к сохранению четности. То есть, если использовать аналогии, то некий процесс и его отражение в зеркале – равноправны и существуют. Все остальные частицы, кроме нейтрино, так себя и ведут.

– А нейтрино?

– Когда строили стандартную модель, поняли, что нейтрино ведут себя иначе. Они в этом условном «зеркале» не отражаются. Их отражения в зеркале не существует в природе.

– Как вампиры?

– Или как призраки. Если нейтрино закручены влево, то в зеркале они должны крутиться вправо. Но нейтрино крутятся только влево, вправо – нет. А чтобы было так, они должны быть безмассовыми. Но что, если у нейтрино всё же есть масса?

Самый простой способ объяснить существование массы у нейтрино – предположить, что есть и правые нейтрино. Но физика – наука экспериментальная, на веру ничего принимать нельзя, догм нет, любые постулаты проверяются. Поэтому вопрос, массивны нейтрино или безмассовые, тоже экспериментально проверялся, несмотря на структуру Стандартной модели. Пионером здесь был Владимир Михайлович Лобашёв, который и создал нашу установку. Начинали её строить, когда я был еще аспирантом, в начале восьмидесятых. Тогда здесь уже работы шли по ее созданию. Надо сказать, что для исследования нейтрино вообще существует множество разных установок. Они помогают узнать фундаментальные законы мира, в котором мы живем. Но наша установка уникальна тем, что дает возможность непосредственно измерить массу нейтрино.

– Каким образом?

– Как мы ищем массу нейтрино? Среди продуктов распада трития есть электроны. Мы очень прецизионно измеряем спектр этих электронов. И если у нейтрино есть масса, то спектр будет выглядеть особым образом. Его спектр резко закончится на некотором расстоянии от максимальной, граничной энергии. И это расстояние и будет равно массе нейтрино. Массу нейтрино искали много десятилетий. Постепенно, как это и бывает в науке, улучшая и улучшая пределы, здесь в Троицке Лобашёвым были получены самые лучшие в свое время ограничения на массу нейтрино. Лучшее наше ограничение – это 2 электронвольта.

– Это такая масса?

– Нет, это не масса. Мы теперь точно знаем, что у нейтрино есть масса, но одно дело знать, а другое дело ее измерить. И по мере того, как чувствительность приборов и точность повышается, ограничение на эту массу становятся все более сильным. Рекорд был получен именно у нас. Мы здесь в Троицке узнали, что масса нейтрино меньше, чем 2 электронвольта. Но дальше мы уже двигаться не могли, потому что любой прибор имеет какой-то предел, дальше уже улучшать предел на массу нельзя на нашей установке. И тогда международная коллаборация в Германии, в которой мы тоже принимаем непосредственное участие, создала установку – увеличенную копию нашей. Называется она «КАТРИН».

– Они уточнили ваши данные?

– Да. Несколько десятилетий она строилась. Первый подход к разработке проекта – 2000-й год, но она заработала только два года назад. Это дорогая установка стоимостью 200 миллионов евро. Огромные деньги, большие научные коллективы, и мы там участвуем. «КАТРИН» наш предел улучшила. Теперь ограничение на массу нейтрино составляет уже 1 электронвольт. Мы уже близки к тому, чтобы ее измерить. Потому что есть ограничение на массу сверху и ограничение на массу снизу. Масса не может быть слишком маленькой. Хотя нет гарантии, что «КАТРИН» наконец измерит массу нейтрино. Возможно, потребуется другая, еще более мощная установка.

– А, может быть, надо сразу уже строить более мощную установку?

– Нельзя. Нашу установку можно было просто увеличить геометрически. А если «КАТРИН» не найдет массу нейтрино, то нужно будет строить принципиально другую установку. Вот наша «бочка» под высоким космическим вакуумом находится. А «КАТРИН», которая в объеме в десять раз больше, имеет самый большой объем вакуума на Земле. Казалось бы, большой адронный коллайдер – кольцо 27 километров, и там вакуума больше. Но нет, на «КАТРИН» больше, потому что на большом адронном коллайдере диаметр трубы, по которому летят ускоренные частицы, маленький. Сделать «бочку» с еще большим вакуумом, чтобы она не схлопнулась под давлением, будет невозможно.

– Допустим, мы наконец-то узнали массу нейтрино. Что делать с этой информацией?

– Когда строили большой адронный коллайдер, уже знали, что бозон Хиггса существует. Но надо было его найти и измерить массу. Это было сделано, и это был прорыв. Мы теперь знаем массу «частицы Бога», как его поэтически называют, и это очень важно.

Узнать массу нейтрино – это еще более интересная задача. Я сказал, что наша установка исчерпала себя в подходе измерения массы нейтрино. Но она работает. Что же мы на ней делаем? Мы на ней ищем правые нейтрино.

Мы знаем, что все остальные частицы массивны, потому что есть левые и правые, и они как раз взаимодействуют с Хиггсовским бозоном. Через это взаимодействие левых и правых частиц с Хиггсовским бозоном частица приобретает массу.

У нейтрино так сделать нельзя, если нет правых. А если правые компоненты есть, то так сделать можно. И если мы найдем правые нейтрино, мы будем знать механизм, из-за которого оно приобретает массу.

Почему это интересно? Конечно, напрямую к народному хозяйству это не относится, хотя могут быть самые разные практические приложения. Как те же электромагнитные взаимодействия – вначале думали, что никаких приложений от них не будет, а теперь без них мы жить не можем.

А что же здесь? Мы понимаем, что Стандартная модель неполна. Есть два наблюдательных факта, совершенно четко установленных, которые находятся за рамками Стандартной модели. Один – это то, что у нейтрино есть масса, потому что в Стандартной модели правых нейтрино нет, и массы тоже.

– А второй факт – темная материя?

– Да. Мы точно знаем, что она есть, но из тех частиц, которые мы знаем, темную материю не сделать. В результате есть много гипотетических кандидатов на роль частиц её образующих. Но наиболее интересны те, которые были введены с другой, независимой, целью. И с нейтрино как раз такая ситуация. Для того чтобы объяснить массу нейтрино, нужны правые компоненты, они же стерильные нейтрино. И именно они как раз и могут быть темной материей.

– Так вы ищете темную материю?

– Да, мы ищем теплую темную материю. 30 лет мы улучшали свои ограничения, а теперь «КАТРИН» приняла нашу эстафету. А мы теперь уже несколько лет ищем стерильные нейтрино. Сейчас «КАТРИН» ограничения на массу нейтрино улучшил, а ограничения на стерильные нейтрино, которые могут быть темной материей, у нас до сих пор самые лучшие.

– И какие же они?

– Стерильные нейтрино могут быть темной материей, если у них масса в области порядка от одного до десятков килоэлектровольт, то есть они гораздо тяжелее левых, примерно  в 10 тысяч раз. Нейтрино по современным представлениям теперь может отражаться в зеркале. Но сама на себя при этом не похожа. В отражении – монстр.

– А почему так может происходить? Это разве не противоречит всем законам физики?

– Как раз в случае нейтрино это возможно.

– То есть, это как кривое зеркало, когда мы смотрим на себя и видим толстых великанов.

–  Да, примерно так. В то же время нельзя считать, что если мы найдем стерильные нейтрино, то мы найдем и темную материю. Мы можем найти стерильные нейтрино, а они легкие, меньше, чем 1 килоэлектронвольт. Тогда они не могут составлять темную материю. Нейтрино изучать можно на разных установках. Но вот именно в этой интересной области масс это возможно только на таких установках, как наша или «КАТРИН». Других таких установок в мире пока нет.

– Почему такие нейтрино называют стерильными?

– Они стерильные, потому что у них нет взаимодействий в Стандартной модели, но есть какие-то другие. В результате они приобретают массу, а когда у них есть масса, то левые нейтрино могут переходить в правые, или осциллировать. Этот параметр смешивания, сила, с которой левые и правые связаны, и определяет, сколько нейтрино родилось в ранней Вселенной. Ограничения на этот параметр смешивания левых и правых нейтрино у нас самые лучшие в мире.

– Игорь Иванович, знаю, что среди огромного количества ваших открытий в астрофизике есть экзотическая гипотеза о том, что существует частица размером со звезду, так называемая бозонная звезда. Не может ли наше Солнце быть бозонной звездой?

– Нет, не может. А бозонные звезды – это другое направление наших исследований. Если есть бозонные звезды, тогда темная материя, скорее всего, не нейтрино. И в рамках этой гипотезы нужна не нейтринная, т.е. фермионная, а бозонная темная материя. Фермионы устроены так, что два фермиона в одном состоянии не находятся, это невозможно, действует принцип запрета Паули. А бозоны, наоборот, любят собираться все вместе. Называется это бозе-конденсация.

– Фермионы – индивидуалисты, а бозоны коллективисты.

– Да, все частицы, которые есть в наномире, это или бозон, или фермион. И если есть темная материя, которая состоит из легких бозонов, то тогда может образоваться бозе-конденсат темной материи. И тогда под действием собственной силы тяготения он будет собираться в “звезды”. И все его частицы находятся в одном квантовом состоянии! В бозе звезде не одна частица, конечно, там очень много частиц. Сколько – зависит от того, какая масса у них. Но из-за того, что все они в одном состоянии, это выглядит, как будто это одна частица.

– И где такие звезды можно найти?

– Пока то, что я сказал про них абстрактно. Но есть еще кандидат в темную материю, тоже очень естественный – аксион, который теоретики предложили для решения другой проблемы. И это бозон. Я говорил про нарушение честности. Потом Ландау ввел комбинированную четность, которая, как думали, точно должна сохраняться. Но потом выяснилось, что в слабых взаимодействиях и комбинированная четность нарушается, лишь в сильных не нарушается. И это непонятно, почему. Чтобы объяснить этот парадокс, придумали такую частицу – аксион, который и решает эту проблему – проблему того, почему не нарушается комбинированная четность в сильных взаимодействиях.

И оказалось, что эти аксионы тоже могут быть прекрасными кандидатами на роль темной материи. Они тоже очень легкие, они легче, чем нейтрино. Из-за того, что они легкие, бозе-конденсация происходит очень эффективно, и они естественным образом, за счет гравитации, бозе-конденсируются. Сейчас планируется и проводится очень много экспериментов, где пытаются найти аксионы в лаборатории. Аксион – очень интересная частица, и если он существует, то  много где может проявиться. В частности, хотят найти аксионы в излучении Солнца. Мы в этом эксперименте тоже участвуем. Если найдем аксионы от Солнца, то тоже многое поймем. В частности, могут ли они составлять темную материю или не могут.

Аксионы тоже очень слабо взаимодействуют, их очень трудно найти. Но если они образуют бозонные звезды, то их можно наблюдать астрофизически. Например,  через гравитационное линзирование, когда в определенном диапазоне масс этих звезд их можно найти и понять, что это действительно какие-то объекты, которые нельзя сделать из наших обычных барионов. Значит, это что-то другое, и это может быть аксионная звезда. И есть еще более интересная возможность. Аксионы взаимодействуют электромагнитно. Один аксион распадается на два фотона. В звезде этот процесс может идти так, как работает лазер, усиливая сам себя. Произойдет мощный взрыв, а все излучение будет в линии, равной половине массы аксиона. Похожее случится, если  аксионная звезда пролетит рядом с  нейтронной звездой, там, где очень сильные магнитные поля. И тогда бозонная звезда может очень быстро превратиться в излучение. Это будет колоссальное энерговыделение в радиоволнах. На самом деле похожие вспышки видят ученые, они называются быстрые радиовсплески. Их сейчас изучают. Не обязательно, конечно, эти быстрые радиовсплески – это взрывы аксионных звезд...

– Но не исключено.

– Не исключено. Но даже если вот они не объясняют быстрые радиовсплески, эту линию от распада аксионов можно изучать радиотелескопами, искать такую линию в Галактике, например. Такие эксперименты тоже планируются, их будут проводить, мы будем в них участвовать.

– Игорь Иванович, скажите честно: а не обидно, что вот так 30 лет на установке вы искали массу нейтрино, не нашли, теперь пытаетесь найти темную материю и неизвестно, найдете ли. Так прошла вся научная жизнь, и ничего не нашли...

– Нет, не обидно, потому что каждый шаг в этом поиске важен и нужен. Нам это интересно. Кроме того, это не единственное, чем мы занимаемся. Так уж устроена наука. Бозон Хиггса полвека искали, гравитационные волны, которые сейчас открыли, начали искать в 60-е годы прошлого века. Время одиночек прошло, это коллективные усилия, зачастую целых поколений ученых.