Что такое вимпы и почему они являются такими популярными кандидатами на роль тёмной материи?
Невидимая тёмная материя составляет 85 процентов всей материи во Вселенной, определяет движение галактик, искривляет траекторию света и влияет на структуру всего космоса. Но до сих пор мы почти ничего не знаем о природе тёмной материи.
Большинство экспериментов по поиску тёмной материи пытается обнаружить частицы, называемые вимпы — Weakly Interacting Massive Particle (слабо взаимодействующие массивные частицы).
«Слабо взаимодействующие» означает, что вимпы с трудом «контактируют» даже с обычной материей. Они редко сталкиваются с веществом другой природы и к тому же не излучают света — из-за этих свойств исследователи до сих пор не могут их обнаружить.
Родившиеся в ранней Вселенной вимпы должны быть достаточно тяжёлыми («массивными») и малоподвижными, чтобы гравитация собрала их в кластеры и структуры, наблюдаемые в сегодняшней Вселенной.
Учёные предполагают, что тёмная материя состоит из частиц. Но это предположение основано на знаниях о природе обычного вещества, которое составляет только 4% Вселенной.
Вимпы обрели популярность в конце 1970-х и в начале 1980-х, когда учёные обнаружили, что частицы, которые в большом количестве предсказываются моделями суперсимметрии, могут потенциально объяснить ещё и космическую загадку тёмной материи.
Теория суперсимметрии, разработанная для заполнения пробелов в нашем понимании известных частиц и сил, утверждает, что каждая элементарная частица имеет до сих пор не обнаруженного «суперпартнёра». Оказывается, самая лёгкая из них обладает свойствами, которые делают её основным претендентом на роль тёмной материи.
Самые лёгкие суперсимметричные вимпы являются стабильными и не могут распадаться на другие частицы. Родившиеся сразу после Большого взрыва, многие вимпы продолжают существовать до сих пор и оставаться незамеченными, потому что они редко посылают сигналы, поддающиеся обнаружению.
Когда исследователи используют свойства самых лёгких суперсимметричных частиц, чтобы посчитать их количество на сегодняшний день, они называют число, сопоставимое с количеством тёмной материи, обнаруженным экспериментальным путем. Это и приводит нас к «чудесным вимпам». Многие учёные считают, что это не просто совпадение.
Но вимпы популярны также и потому, что мы знаем, как их искать. После многих лет разработок мы в конце концов узнали, как построить детекторы, которые дадут возможность их увидеть — хотя бы мельком.
Другие учёные надеются создать вимпы в столкновениях частиц на Большом адронном коллайдере, построенном в ЦЕРНе. Большинство суперсимметричных теорий утверждает, что масса самых лёгких вимпов составляет больше 100 гигаэлектронвольт, и эти энергии доступны БАКу.
Третий способ поиска вимпов — искать их сигналы в излучении, приходящем на Землю из космоса. Хотя отдельные вимпы являются стабильными, они распадаются на другие частицы, когда два вимпа сталкиваются и уничтожают друг друга. Этот процесс должен оставлять после себя обнаружимое количество радиации. Поэтому учёные сосредотачивают свое внимание на исследованиях астрономических объектов, богатых тёмной материей — таких как карликовые галактики, спутники Млечного Пути, или центр самого Млечного Пути.
Тёмная материя взаимодействует с обычной материей благодаря гравитации, влияя на образование структур во вселенной. Если тёмная материя состоит из вимпов, наши предположения по поводу распространения тёмного вещества, основанные на этом допущении, должны совпасть с нашими наблюдениями.
Но как исследователи могут узнать наверняка, что тёмная материя состоит из вимпов? Для убедительного доказательства существования вимпов необходимо обнаружить их больше, чем в одном эксперименте, в идеале — с использованием трёх способов обнаружения.
В свете сегодняшних отточенных методов детектирования, охотники за тёмной материей должны обнаружить вимпы в следующие 10 лет. Время подскажет, верна ли идея учёных о природе тёмной материи.
Автор: Manuel Gnida
Источник: Symmetry Magazine
Перевод: Екатерина Шутова
