Поскольку, чтобы оставаться незамеченной, темная материя должна быть электрически нейтральной, стабильной и слабо взаимодействующей, среди знакомых нам элементарных частиц единственным кандидатом на роль такой материи являются нейтрино. Они не относятся к барионам.
В основном рассматриваются две модели темной материи: горячая темная материя с релятивистскими частицами, то есть движущимися со скоростями, достаточно близкими к скорости света, чтобы их могла описывать релятивистская кинематика, и холодная темная материя, состоящая из нерелятивистских частиц. Однако не следует забывать о промежуточном варианте — теплой темной материи. Гравитационная масса частиц горячей темной материи, по существу, равна их кинетической энергии, поскольку энергией покоя можно пренебречь. И напротив, гравитационная масса Частиц холодной темной материи по большей части равна их инертной массе, поскольку кинетической энергией можно пренебречь. Температура, то есть кинетическая энергия темной материи, должна равняться температуре РИ, поскольку они находятся в равновесии и сами по себе не создают тепло, хотя реликтовое нейтринное излучение несколько холоднее, его температура — 1,95 К. В случае теплой темной материи ни одним видом энергии пренебречь нельзя. Однако, поскольку температура Вселенной в космических масштабах изменяется с огромной скоростью, обычно переход какой-либо частицы из горячего состояния в холодное также происходит очень быстро.
Нейтрино были первыми кандидатами на роль частиц горячей темной материи. Как мы выяснили в предыдущем разделе, масса по меньшей мере одного вида нейтрино не превышает 0,1 эВ, у остальных она еще меньше. Итак, будут ли космические нейтрино горячими или холодными, зависит от их температуры. Переход из холодного состояния в горячее произошел примерно через 1 млн. лет после Большого взрыва. До этого момента нейтрино с такой массой были горячими, позже они стали холодными.
Однако при такой массе количество нейтрино, требуемое, чтобы обеспечить достаточную часть критической плотности, должно быть порядка 1090, что крайне маловероятно. Для сравнения: количество реликтовых нейтрино «всего лишь» 1088, примерно столько же, сколько фотонов в реликтовом излучении. Атомов в 1 млрд. раз меньше. Таким образом, гипотеза темной материи, состоящей из знакомых нам легких нейтрино, в свете последних данных о РИ по большей части исключается и нам нужно искать новых кандидатов на роль ее частиц. Правильным порядком действий в такой ситуации будет вначале исследовать те возможности, которые требуют привлечения как можно меньшего числа новых гипотез.
В то время как в рамках стандартной модели кандидатов не осталось, существуют два варианта, которые требуют не полного пересмотра теории, но лишь небольшого ее расширения, — это стерильные нейтрино и аксионы.
После открытия массы известных нам нейтрино стало ясно, что должен существовать еще один вид нейтрино, до сих пор не обнаруженный. Считается, что эти дополнительные нейтрино стерильны, то есть взаимодействуют только гравитационно или в лучшем случае очень слабо. Если эти кандидаты на роль частиц темной материи обладают массой, поддающейся измерению, скажем, большей, чем несколько сотен электрон-вольт, то они все еще вписываются в физику стандартной модели, слегка расширенной, чтобы включить параметры, описывающие эти состояния.
В период написания этой книги проводился ряд новых наблюдений, результаты которых внезапно выдвинули стерильные нейтрино на передний план программы поиска темной материи. Об этом мы поговорим в главе 14.
Еще один гипотетический кандидат на роль темной материи, все еще вписывающийся в основные положения стандартной модели, — это аксион, частица, предложенная еще в 1977 году для решения некоторых специальных проблем квантовой хромодинамики. По оценкам ученых, он должен иметь массу менее 1 эВ.
ВИМП-частицы и суперсимметрия
Других кандидатов на роль холодной темной материи в рамках минимально измененной стандартной модели не существует. Если это не стерильные нейтрино и не аксионы, то это должно быть что-то абсолютно новое. Такие частицы объединяют под общим названием «вимп-частицы» (от англ. WIMP — Weakly Interacting Massive Particle, что означает «слабовзаимодействующие массивные частицы»). Вероятнее всего, они должны быть нерелятивистскими и иметь большую массу. Долго фаворитом была одна из частиц, предсказанных в рамках расширенной версии стандартной модели, включающей суперсимметрию (SUSY), описанную в главе 11. Общее название вимп-частиц в рамках теорий суперсимметрии — нейтралино. Были предложены четыре возможных типа нейтралино, которые являются фермионами-суперпартнерами калибровочных бозонов стандартной модели.
Ученые не сомневались в том, что во время первых запусков Большого адронного коллайдера им удастся обнаружить данные, подтверждающие теорию суперсимметрии. Однако этого не произошло. Значительная часть теоретических изысканий последних 40 лет основывалась на суперсимметрии, в частности большинство теорий квантовой гравитации (теория супергравитации) и М-теория. Если теория суперсимметрии не подтвердится во время следующего запуска БАК, который начнется в 2015 году, все эти теории, вполне возможно, ожидает крах.
Если это случится, многие физики будут разочарованы, но отнюдь не все, включая меня. Серьезные открытия в физике обычно приводят к появлению более простых теорий с меньшим количеством переменных параметров. Теория суперсимметрии увеличивает количество настраиваемых параметров примерно вдвое, а М-теория имеет 10500 различных вариаций. Несмотря на всю их математическую красоту, в моих глазах экспериментатора это уродует их.
Но проблемы, с которыми столкнулись космологи в конце второго тысячелетия нашей эры, на этом не заканчиваются. К 1998 году было установлено, что темная материя, какой бы ни была ее природа, составляет в лучшем случае около 25% критической плотности Вселенной. Недоставало еще трех четвертей массы, требуемой инфляционной моделью. Вновь теория инфляции оказалась на грани опровержения. Но природа и тут пришла ей на помощь.
Темная энергия
С тех пор как Хабблв 1929 году впервые построил график зависимости скоростей разбегания галактик от расстояния до них, астрономы непрерывно совершенствовали свои измерения, однако тенденция к линейной зависимости сохранялась. Это значит, что угловой коэффициент H, которому соответствует скорость расширения Вселенной, оказался постоянным. На самом деле его и назвали постоянной Хаббла.
Однако нет никаких причин, по которым Н, скорость расширения Вселенной, должна быть постоянной. Ожидалось, что в какой-то момент график начнет загибаться книзу по мере того, как взаимное гравитационное притяжение будет замедлять расширение. То есть расширение Вселенной должно замедляться.
Но в 1995 году космологи Лоуренс Краусс и Майкл Тернер отметили, что, согласно существующим на тот момент данным, во Вселенной действует положительная космологическая постоянная, которая на деле вносит свой вклад в критическую плотность Вселенной. Они отметили, что вследствие этого должно происходить ускоряющееся расширение, проявляющееся в увеличении скоростей разбегания галактик на больших расстояниях, то есть график начнет загибаться вверх.
