Всё, из чего состоим мы, наша планета, звёзды и целые галактики — это лишь 1/7 материи во Вселенной. Оставшиеся 6/7 — субстанция, которая никак не светится, не отражает лучи и вообще никак себя не выдаёт. Физики называют это тёмной материей. Она не фантазия: без неё галактики попросту разлетелись бы, как пыль на ветру. Но вот из чего она состоит — загадка, над которой бьются сотни людей в десятках лабораторий по всей планете. И один из главных подозреваемых — тёмный фотон, частица-призрак, которую ещё никто не видел, но кое-кто уже почти нащупал.
Переводчик между двумя мирами
Обычный фотон знаком каждому: это частица света, переносчик электромагнитной силы. Благодаря фотонам мы можем видеть, греемся на солнце и пользуемся Wi-Fi. Тёмный фотон — его гипотетический «родственник». По своей природе он напоминает обычный, только живёт по другую сторону — в скрытом секторе, недоступном нашим приборам напрямую. Можно сказать так: если тёмная материя — это закрытый город, то тёмный фотон выполняет в нём ту же работу, что свет в нашем мире.
Но самое интересное: тёмный фотон, очевидно, умеет слабо контактировать с привычным веществом. Пусть чрезвычайно слабо — но всё же. Физик Сергей Гниненко из Института ядерных исследований РАН, один из руководителей эксперимента NA64 в ЦЕРНе, объяснил это так: представьте двух людей, говорящих на разных языках (обычная и тёмная материя), которым нужен переводчик. Тёмный фотон — и есть этот переводчик. Идею впервые оформили в 2008 году. Тогда группа из четырёх физиков-теоретиков, Лотти Акерман, Мэттью Бакли, Марк Камионковский и Шон Кэрролл, описала схему, где тёмная материя обменивается силами внутри себя через собственный вариант электромагнитного поля.
Как поймать невидимку
Ловить то, что нельзя увидеть — задача не для слабонервных. Но у физиков есть хитрость: они ищут не саму частицу, а «дыру», которую она оставляет.
В ЦЕРНе, на ускорителе SPS длиной 6,9 километра, работает эксперимент NA64. Пучок электронов с энергией 100 гигаэлектронвольт стреляют в мишень. При столкновении рождаются обычные фотоны, и их энергию тщательно замеряют. Если часть энергии «пропала» — её унёс кто-то невидимый. Возможно, тёмный фотон.
Между 2016 и 2018 годами коллаборация NA64 провела около ста миллиардов столкновений. Тёмного фотона не нашли, но сузили «зону поиска» на четверть. Как сам Гниненко признаётся, это только начало: ускоритель загружен другими проектами, и физикам приходится работать в окне из нескольких недель в год.
Параллельно в 2024 году коллаборация NA62 (тоже ЦЕРН) опубликовала результаты нового поиска. Детектор перевели в «режим сброса» — протоны с энергией 400 ГэВ бомбардировали поглотитель. За один сеанс 2021 года через установку прошли 1,4×10¹⁷ протонов (это сто сорок квадриллионов). Тёмных фотонов опять не обнаружили, но исключили ещё целые области возможных масс и силы взаимодействия. По словам участников Алины Клейменовой и Стефана Гинеску, их результаты можно переложить и на другие модели, например с аксионоподобными частицами.
Километр под землёй: лаборатория в золотом руднике
Пока одни физики работают на ускорителях, другие строят детекторы глубоко под землёй. Зачем? На поверхности космические лучи создают постоянный «шум»: миллионы мюонов каждый день пробивают любой прибор. Чтобы услышать шёпот тёмной материи, нужна тишина.
На юго-востоке Австралии, в небольшом городе Стоуэлл (штат Виктория), прямо внутри работающей золотой шахты, на отметке 1025 метров ниже поверхности обустроили лабораторию SUPL. Это первый подземный физический комплекс во всём Южном полушарии. Двери он распахнул в 2022-м, а спустя год, в октябре 2023-го, вниз опустили первый мюонный счётчик. Цифры поразили всех: наверху такой прибор ловит порядка 1,8 миллиона мюонов в сутки, а на километровой глубине — всего пять. Космический шум удалось подавить в сотни тысяч раз.
Здесь разворачивается эксперимент SABRE South: кристаллы йодида натрия сверхвысокой чистоты, погружённые в жидкий сцинтиллятор, окружённые стальной и полиэтиленовой защитой. Установка-близнец работает в итальянской лаборатории Гран-Сассо. Вместе они должны проверить, существует ли загадочный сигнал, который итальянский эксперимент DAMA/LIBRA фиксирует более двадцати лет. Если сигнал подтвердится в обоих полушариях — это будет серьёзной заявкой на прямое обнаружение тёмной материи.
6,5 сигма: почти открытие?
Команда Энтони Томаса из Университета Аделаиды в партнёрстве со специалистами Джефферсоновской национальной лаборатории (Вирджиния, США) опубликовала в 2023 году статью, всколыхнувшую всё профессиональное сообщество. Они переработали большой массив результатов по глубоко неупругому рассеянию — процедуре, при которой пучки электронов «просвечивают» внутренности протонов и нейтронов. В привычные расчёты заложили поправку на возможное присутствие тёмного фотона. Получилось, что с этой поправкой теория согласуется с экспериментом намного точнее, чем без неё. Статистическое расхождение со Стандартной моделью составило 6,5 сигма.
Сигма в физике частиц — мера достоверности. Она показывает, насколько вероятно результат получится случайно, а не отразит реальное явление. Пять сигма — общепринятый порог открытия, на котором шанс случайности составляет 1 к 3,5 миллионам. Как раз на таком уровне в 2012 году объявили об открытии бозона Хиггса. Шесть с половиной сигма выходит ещё надёжнее: шанс ошибки где-то 1 к 10 миллиардам.
Но сами авторы осторожны: свидетельство косвенное. Никто не засёк тёмный фотон напрямую. Это как увидеть тень зверя на стене, но не самого зверя. Впрочем, тень оказалась очень, очень чёткой.
Почему это касается каждого
Допустим, тёмный фотон реален. Что тогда? Сначала придётся дополнить учебники: к четырём фундаментальным взаимодействиям (гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные) добавится, как минимум, указание на пятое. Дальше — больше: перед нами распахнётся «тёмный сектор», скрытый слой мироздания, о существовании которого сейчас можно лишь строить догадки. И наконец, станет понятно, какой "клей" не даёт галактикам рассыпаться и почему Вселенная устроена ровно так, а не иначе.
Вся эта история напоминает многолетнюю погоню за гравитационными волнами: физики не сомневались, что волны реальны, но зафиксировать их удалось только в 2015 году — после десятилетий усилий. Как сказал один из сотрудников лаборатории в Стоуэлле: «Если мы найдём тёмную материю — это гарантированный Нобель».
А как считаете вы: тёмный фотон — реальный ключ к 85% Вселенной или очередной красивый тупик?
------------
Источники: CERN, Physical Review Letters, Университет Аделаиды, Journal of High Energy Physics (2023) и др.
Подпишитесь на канал, чтобы могли всегда оставлять комментарии ⬇️