Физики — самые честные шарлатаны в истории человечества: они открыто признают, что понятия не имеют, из чего состоит почти вся Вселенная, и при этом умудряются получать за это нобелевские премии и многомиллиардное финансирование.
Звучит как плохая шутка, но это чистая правда. Всё, что вы видите вокруг — ваш смартфон, кофе в чашке, соседний дом, далёкие звёзды и целые галактики — составляет жалкие пять процентов от того, что существует. Остальные девяносто пять процентов — это так называемые тёмная материя и тёмная энергия, о природе которых учёные спорят уже почти столетие. И вот на сцену выходит один из самых интригующих кандидатов на роль этой космической невидимки — стерильные нейтрино.
Но подождите, прежде чем вы закатите глаза и подумаете: «Опять эти физики со своими выдуманными частицами!» — давайте разберёмся, почему эта идея не так безумна, как кажется на первый взгляд. Спойлер: она безумна ещё больше, но в этом-то и вся прелесть.
Вселенная, которую мы не видим
Вот вам загадка, которая не даёт астрофизикам спать уже девяносто лет: галактики вращаются неправильно. Нет, серьёзно. Если бы они состояли только из того, что мы видим — звёзд, газа, пыли — они бы давно разлетелись на части, как карусель, с которой сорвали все крепления.
Впервые на это обратил внимание швейцарский астроном Фриц Цвикки ещё в 1930-х годах, изучая скопление галактик в созвездии Волосы Вероники. Он обнаружил, что галактики в скоплении движутся слишком быстро — настолько быстро, что видимой массы категорически недостаточно, чтобы удержать их гравитацией. Либо законы физики врут, либо там есть что-то ещё. Цвикки назвал это «что-то» тёмной материей — и коллеги покрутили пальцем у виска.
Прошло полвека, и астроном Вера Рубин доказала, что Цвикки был прав. Она измерила скорости вращения отдельных звёзд в галактиках и обнаружила, что звёзды на периферии вращаются с той же скоростью, что и звёзды вблизи центра. Это физический абсурд! Представьте себе виниловую пластинку, у которой край вращается с такой же скоростью, как и центр — такого просто не бывает без дополнительной невидимой массы, распределённой вокруг галактики гигантским сферическим гало.
С тех пор доказательства существования тёмной материи только накапливались: гравитационное линзирование, реликтовое излучение, крупномасштабная структура Вселенной — всё указывает на то, что невидимая материя существует и её в пять раз больше, чем обычной. Но что это такое? Вот тут начинается самое интересное.
Нейтрино — призраки, которые хотя бы иногда здороваются
Чтобы понять, что такое стерильные нейтрино, сначала нужно познакомиться с их более общительными родственниками — обычными нейтрино. Эти частицы — настоящие чемпионы по игре в прятки в микромире.
Каждую секунду через ваше тело проходят примерно сто триллионов нейтрино, испущенных Солнцем. Проходят — и ничего не происходит. Вообще ничего. Нейтрино настолько слабо взаимодействуют с материей, что могут пролететь сквозь свинцовую стену толщиной в световой год и даже не заметить её.
Это не художественное преувеличение — это буквальный физический факт. Нейтрино не имеют электрического заряда, почти не имеют массы и участвуют только в слабом ядерном взаимодействии — самом застенчивом из четырёх фундаментальных сил природы. Чтобы засечь хоть одно нейтрино, учёным приходится строить детекторы размером с небольшой стадион, заполнять их тысячами тонн сверхчистой воды и ждать месяцами.
Существует три типа обычных нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Они могут превращаться друг в друга на лету — это явление называется осцилляциями нейтрино и было подтверждено экспериментально, за что в 2015 году дали Нобелевскую премию. Казалось бы, достаточно странно? О, нет. Это только разминка.
Дело в том, что стандартная модель физики элементарных частиц — наша лучшая теория микромира — предсказывает, что нейтрино должны быть полностью безмассовыми. Но осцилляции возможны только если у нейтрино есть масса. Получается, что-то в наших теориях не сходится. И вот здесь на сцену выходят стерильные нейтрино.
Стерильные нейтрино — абсолютные социопаты микромира
Если обычные нейтрино — это интроверты вечеринки физики элементарных частиц, то стерильные нейтрино — это те, кто вообще не пришёл и даже не отвечает на сообщения. Они настолько асоциальны, что не участвуют даже в слабом взаимодействии — единственном способе общения обычных нейтрино с остальным миром.
Звучит как научная фантастика? Отчасти так и есть. Стерильные нейтрино — это гипотетические частицы, которые пока никто не видел напрямую. Но их существование элегантно решает сразу несколько головоломок современной физики.
Во-первых, они объясняют, почему обычные нейтрино имеют массу, хотя не должны. Механизм под названием «качели» (seesaw mechanism) предполагает, что масса обычных нейтрино связана с существованием очень тяжёлых стерильных партнёров. Чем тяжелее стерильное нейтрино, тем легче обычное — как на детских качелях, где тяжёлый ребёнок поднимает лёгкого.
Во-вторых — и это самое вкусное — стерильные нейтрино с массой в диапазоне нескольких килоэлектронвольт идеально подходят на роль тёплой тёмной материи. Они достаточно тяжелы, чтобы двигаться медленнее света и скапливаться в гравитационных колодцах галактик, но достаточно легки, чтобы объяснить наблюдаемую структуру космоса.
В отличие от других кандидатов — вимпов или аксионов — стерильные нейтрино не требуют изобретения принципиально новой физики. Они естественным образом появляются в расширениях стандартной модели и связаны с уже известными частицами. Это делает их, как говорят физики, «минимальным решением» — бритва Оккама в действии.
Но есть нюанс: если стерильные нейтрино ни с чем не взаимодействуют, как их вообще можно обнаружить? Вот тут начинается настоящий детектив.
Охота на невидимку
Казалось бы, частица, которая ни с чем не взаимодействует, — идеальный кандидат для вечной игры в прятки. Но у физиков есть козырь в рукаве: даже стерильные нейтрино не полностью невидимы.
Теория предсказывает, что стерильное нейтрино может очень редко распадаться на обычное нейтрино и фотон — частицу света. Этот фотон имеет строго определённую энергию, равную половине массы стерильного нейтрино. Если тёмная материя действительно состоит из стерильных нейтрино, то галактики должны слабо светиться в рентгеновском диапазоне на определённой длине волны.
В 2014 году две независимые группы учёных заявили об обнаружении загадочной рентгеновской линии на энергии 3,5 килоэлектронвольт в спектрах скоплений галактик и галактики Андромеда. Эта линия не соответствовала ни одному известному атомному переходу и могла быть сигналом распада стерильных нейтрино с массой около 7 килоэлектронвольт.
Научное сообщество взорвалось. Публикации посыпались как из рога изобилия. Одни подтверждали находку, другие опровергали. Споры не утихают до сих пор. Дело в том, что сигнал на грани чувствительности приборов, и систематические ошибки могут маскировать или имитировать его.
Новые космические обсерватории — японский XRISM и будущий европейский Athena — должны поставить точку в этом споре. Их спектральное разрешение на порядок выше предшественников, и если линия 3,5 килоэлектронвольт реальна, они её увидят во всей красе. Если нет — что ж, физикам придётся искать другого кандидата.
Параллельно идут эксперименты совсем другого типа — поиск стерильных нейтрино в лабораторных условиях через точные измерения бета-распада трития и аномалий в осцилляциях реакторных нейтрино. Пока результаты неоднозначны, но каждый новый эксперимент сужает пространство возможных параметров.
Философия пустоты
Здесь стоит остановиться и задуматься о том, что всё это значит для нашего понимания реальности. Мы живём в мире, где большая часть материи буквально невидима, а самые перспективные кандидаты на её объяснение — частицы, которые по определению почти ни с чем не взаимодействуют.
Это не просто физическая проблема — это глубокий философский парадокс. Наука строится на наблюдении и эксперименте. Но как изучать то, что принципиально избегает наблюдения? Мы вынуждены охотиться за тенями теней, за статистическими аномалиями на границе погрешности, за едва заметными рябями в ткани пространства-времени.
Скептики скажут: а не превращается ли физика в схоластику? Не выдумываем ли мы сущности сверх необходимого — те самые невидимые частицы, которые удобно объясняют всё, но которые невозможно опровергнуть? Честный ответ: возможно. Но пока альтернативы — модификации законов гравитации — работают ещё хуже.
Стерильные нейтрино привлекательны именно тем, что они фальсифицируемы. Если линия 3,5 килоэлектронвольт исчезнет при более точных измерениях — теория будет закрыта. Если лабораторные эксперименты не найдут признаков смешивания со стандартными нейтрино в определённых диапазонах — пространство параметров схлопнется. Это не религия, это наука на грани возможного.
И в этом есть своя извращённая красота. Человечество научилось задавать вопросы о вещах, которые по определению не хотят отвечать. Мы строим подземные храмы с тысячами фотоумножителей, запускаем орбитальные обсерватории, тратим миллиарды — и всё ради того, чтобы поймать призрака, который может оказаться иллюзией.
Но если стерильные нейтрино реальны, если они действительно составляют тёмную материю — это будет означать, что Вселенная гораздо страннее, чем мы могли вообразить. Что рядом с нашим миром существует параллельная реальность частиц-отшельников, которые сформировали галактики и удерживают космос от распада, но при этом отказываются признавать наше существование.
Может быть, стерильные нейтрино — это и есть тёмная материя. Может быть, это совсем другие частицы, которые мы ещё не придумали. А может быть, мы фундаментально неправильно понимаем гравитацию, и никакой тёмной материи нет вовсе. В любом случае, следующее десятилетие должно дать ответы — или хотя бы более качественные вопросы. Физика никогда не обещала определённости; она обещала только приключение. И охота на стерильные нейтрино — одно из самых захватывающих приключений в истории человеческого познания.