Чудо-частица: Аксионы могут объяснить не только темную материю и темную энергию, но и кое-что еще

В 1977 году физик Фрэнк Вильчек вышел на прогулку, которая навсегда изменила ход развития физики элементарных частиц. "Во время этой прогулки у меня появились зачатки двух действительно интересных идей", - вспоминает он. Первая заключалась в том, как теоретическая частица, которую позже назвали бозоном Хиггса, может взаимодействовать с другими частицами. Именно так спустя десятилетия был открыт бозон Хиггса. А вот со второй идеей пришлось повозиться чуть дольше.

В последнее время физики все больше приходят к пониманию того, что гипотетические частицы, названные аксионами, могут объяснить не только темную материю, но и темную энергию, а также кое-что другое. И вот теперь появился новый импульс для их поиска. NASA / James Webb Space Telescope, JWST

Вильчек представил себе, как могут быть получены очень легкие - по сути, безмассовые - частицы. Он рассказал об этом своему коллеге, покойному Стивену Вайнбергу, который тоже рассуждал на эту тему. Вместе они описали класс частиц, которые мы теперь называем аксионами.

Вайнберг был настроен оптимистично и убедил Вильчека, ныне работающего в Массачусетском технологическом институте, что аксионы будет несложно найти. Однако спустя почти полвека мы все еще продолжаем эти поиски. За прошедшие годы интерес к аксионам - в основном из-за того, что они могут оказаться той самой труднодоступной темной материей, которая составляет 85 процентов вещества во Вселенной, - угас в пользу других толкований.

Сегодня, на фоне целой серии неудач в поисках темной материи и множества теоретических и экспериментальных прорывов, аксионы вновь обретают популярность. "Они снова в моде, - подчеркивает Вильчек. И теперь речь идет не только о загадочной природе темной материи, поскольку аксионы потенциально могут объяснить целый ряд космологических загадок, включая неуловимую темную энергию, которая, как считается, движет расширением нашей Вселенной. Одним словом, это частицы, которые могут решить проблему Вселенной. Именно поэтому усилия по их поиску активизировались как никогда прежде.

За несколько лет до той судьбоносной прогулки Вильчек вместе с матерью был в супермаркете, когда заметил стиральный порошок под названием "Аксион". Ему запомнилось название. "Когда появилась возможность открыть новую частицу, способную решать проблемы - звезды сошлись", - говорит он. Сначала Вайнберг называл ее "хигглетом", но потом согласился, что "аксион" - более благозвучное название".

Что такое аксионы?

Аксионы, если они существуют, подчиняются странным правилам квантовой механики, то есть они могут действовать как волны и как частицы. Как частицы, они будут обладать исключительно малой массой, от сотен до миллиардов раз меньшей, чем самые легкие частицы, известные нам сегодня. Поскольку они настолько легкие, длина их волны может быть равна ширине галактики.

Во Вселенной было два Больших взрыва: Выдвинута новая гипотеза происхождения тёмной материи

Не то чтобы аксионы изначально рассматривались как инструмент решения космологических загадок. Напротив, первой задачей, которую они решили, была так называемая проблема равенства сильных зарядов (сильная CP-проблема). Это загадочный вопрос физики элементарных частиц, связанный с сильным воздействием, одной из четырех фундаментальных сил (почему в квантовой хромодинамике не нарушается CP-симметрия). В отличие от трех других сил, которые по-разному влияют на материю и антиматерию, сильное ядерное взаимодействие влияет на субатомные частицы, называемые кварками, в той же степени, что и на их антивещество - антикварки. Но если бы существовало какое-то новое поле, пронизывающее Вселенную, состоящее из сверхлегких частиц, таких как аксионы, оно могло бы объяснить эту удивительную симметрию.

И вот в 1983 году несколько физиков, среди которых был и Вильчек, начали подозревать, что такое "новое поле" может решить и другую серьезную проблему. "Это был просто подарок, - говорит Дэвид Марш из Королевского колледжа Лондона. Это произошло потому, что в ранней Вселенной было много энергии. "По мере остывания Вселенной это [аксионное] поле начнет колебаться, - говорит Марш. Другими словами, оно будет выделять энергию в виде пульсирующего света и тепла. "Энергия, переносимая в процессе таких колебаний, оказывается, ведет себя так же, как темная материя", - утверждает эксперт. Вот так аксионы стали потенциальным кандидатом на роль частиц темной материи".

Аксионная темная материя

Аксионы умеют хорошо прятаться. В первую очередь потому, что они могут обладать очень широким диапазоном возможных масс. Поэтому понять, где их искать, довольно сложно. Поскольку энергия и масса взаимозаменяемы, физики измеряют массы частиц с помощью внесистемной единицы энергии, известной как электрон-вольт. К примеру, масса протона равна миллиарду электрон-вольт. "Самый тяжелый аксион, который может существовать в природе, — это примерно одна сотая электронвольта", - говорит Марш. "При этом его масса может снижаться вплоть до одной триллионной доли электронвольта". Из-за такого огромного диапазона масс никто и представить себе не мог, с чего начать. Энтузиазм по поводу аксионов был крайне сдержанным, говорит Вильчек.

Одновременно с этим набирало популярность альтернативное объяснение темной материи. Слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) предположительно должны быть гораздо крупнее аксионов, примерно с массой протона, а значит, эксперименты по их обнаружению проводить проще. А вот эксперименты по поиску аксионов были действительно сложными", - говорит Марш.

Аксионы потенциально способны объяснить темную энергию - силу, разрывающую нашу Вселенную на части. (National Aeronautics and Space Administration, NASA / James Webb Space Telescope, JWST)

"В течение многих лет гипотеза WIMP была доминирующей, а аксионам уделялось гораздо меньше внимания", - говорит Эд Доу из Шеффилдского университета (Великобритания). Однако за десятилетия, прошедшие с момента появления ВИМПов, было проведено множество попыток их найти, и все они закончились неудачей. Последние несколько лет исследования показали, что, когда речь идет о темной материи, аксионы могут иметь больше смысла, чем ВИМПы. "По сути, они стали предпочтительным кандидатом на роль частиц темной материи", - говорит Кейр Роджерс из Университета Торонто (Канада).

Одной из таких подсказок является то, как свет изгибается вокруг галактик под действием их гравитации. Считается, что большинство галактик окружены ореолами из темной материи. Это можно наблюдать по их вращению, которое кажется равномерным. Из этого астрономы делают вывод, что они должны быть одинаково растянуты во всех направлениях какой-то невидимой силой.

Именно здесь на свет и появляются аксионы. По словам Лам Хуи из Колумбийского университета в Нью-Йорке, длина их волны - то есть расстояние, на котором они колеблются, - может достигать 3000 световых лет. Но, подобно ряби в пруду, такие осцилляции будут взаимодействовать друг с другом, вызывая интерференцию. В гало из темной материи это может привести к образованию заметных областей аксионов с более высокой и более низкой плотностью. "Это очень неоднородное гало", - говорит Хуэй. Ранее в этом году группа астрономов под руководством Альфреда Амрута из Университета Гонконга обнаружила свидетельства такой комковатой структуры в том, как свет огибает галактику на пути к Земле.

Скопление темной материи

Это весьма интересное событие, ведь если аксионы являются разгадкой темной материи, то они могут решить и самостоятельную, хоть и связанную с ней проблему. А именно, то, что темная материя, по-видимому, сжимается гораздо меньше, чем принято считать. Наблюдения за космическим микроволновым фоном (CMB) - реликтовым излучением, оставшимся после инфляции ранней Вселенной, появившимся примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, - не совпадают с распределением скоплений галактик, наблюдаемым нами сегодня.

"У нас есть модель Вселенной, с помощью которой мы можем предсказывать, как она могла выглядеть сразу после Большого взрыва и сегодня. Но эти два наблюдения не стыкуются друг с другом", - говорит Кэтрин Хейманс из Эдинбургского университета (Великобритания). Хейманс первой заметила эту проблему, известную как "напряжение сигма-8", и уже много лет пытается ее решить. По ее словам, если бы темная материя хотя бы частично состояла из сверхлегких аксионов, то есть тех, которые находятся в нижней части диапазона потенциальных масс, эти аксионы могли бы подавить комкование.

Странный галактический мегакластер намекает на то, что с нашей Вселенной что-то не так

Если нам повезет, считает Хейманс, доказательства этого могут появиться в самое ближайшее время. Возможно, такие аксионы будут обнаружены в экспериментах по поиску гравитационных волн - пульсаций в пространстве-времени, вызванных вращением или столкновением массивных объектов. В июне несколько экспериментов по измерению времени прихода световых импульсов от быстро вращающихся звезд, известных как пульсарные временные массивы, выявили первые свидетельства наличия гравитационного волнового фона, пронизывающего нашу Вселенную. Оказалось, что эти волны - прекрасный инструмент для измерения распределения темной материи в космическом пространстве.

"Колеблющиеся аксионы оставляют отпечатки в сигнатурах гравитационных волн", - говорит Роджерс. Пока что наборы статистических данных недостаточно чувствительны, чтобы обнаружить такие отпечатки". "В первом прогоне они ничего не нашли, - говорит он. Но по мере измерения большего числа импульсов результаты будут улучшаться, что позволит сузить круг потенциальных сигналов аксионной темной материи.

Если аксионы будут обнаружены, то не исключено, что из них состоит вся темная материя. Это позволит решить все загадки одним махом. Но может быть и так, что они составляют лишь часть ее, а остальное — это ВИМПы или иные кандидаты - например, первобытные черные дыры, оставшиеся после Большого взрыва. "Нет никаких гарантий, что темная материя будет состоять только из частиц одного типа", - говорит Марш. "Стандартная модель Вселенной очень сложна, в ней есть протоны, нейтроны, кварки, электроны, все вместе. Почему же темная материя должна быть простой?"

Сами аксионы, скорее всего, тоже не будут существовать в каком-то одном обличье. Возможно, если существует один тип аксионов, то существует и множество их видов, от сверхлегких до относительно тяжелых, подобно семейству волн и частиц, каждый из которых применим для решения различных задач. "Было бы очень логично обнаружить аксионы с разными массами", - говорит Франческа Чада-Дэй из Даремского университета (Великобритания). " Но нам следует с осторожностью подходить к этому вопросу и делать заявления, что у нас мол есть аксионы на все случаи жизни, хотя у нас нет никаких прямых экспериментальных доказательств их существования".

По крайней мере, пока нет. И тем не менее наблюдение спутника Европейского космического агентства Planck позволило получить некоторые из лучших на сегодняшний день свидетельств. И на этот раз аксионы могут помочь решить совершенно другую загадку космологии, предложив потенциальное объяснение темной энергии - неизвестной силы, заставляющей Вселенную расширяться.

В 2020 году Юто Минами из Организации по исследованию ускорителей высокой энергии в Японии и Эйитиро Комацу из Института астрофизики Макса Планка в Германии изучали результаты измерений CMB при помощи спутника Planck, когда обнаружили нечто любопытное. Они обратили внимание на свойство, называемое поляризацией, - показатель ориентации света, когда он распространяется в виде волны, - и обнаружили, что она изменилась на пару градусов. Казалось, как будто что-то повлияло на свет между тем, как он был испущен и достиг спутника.

Чудо-частица: Аксионы способны решить не только проблему темной материи и темной энергии. Художественный образ движения света через спутник "Планк", на котором были замечены признаки эффекта, потенциально порождаемого аксионами. European Space Agency, ESA

 Что еще более интригует, говорит Марш, так это то, что этот странный эффект был предсказан еще несколько десятилетий назад. В 80-х годах прошлого века исследователи изучали аксионное поле. Они обнаружили, что, когда частицы света, или фотоны, проходят через это поле, оно заставляет их взаимодействовать между собой. Поляризация света, обнаруженная "Планком", " вполне логично объясняется существованием аксионов между CMB и тем, что мы его регистрируем", - говорит Марш.

Темная энергия

Так уж получилось, что предложенный вид аксиона будет "вести себя" как темная энергия, но только в течение определенного периода времени. Это делает его частью одного из классов темной энергии, известного как ранняя темная энергия, - так называемой, потому что она существовала только в ранней Вселенной. Существует множество теоретических видов ранней темной энергии, но этот особенно странный: аксионы должны были вести себя как темная энергия после того, как свет CMB был высвобожден, мешая ему на пути к нашим телескопам. Но затем, в более поздние времена, они стали бы вести себя как темная материя. "Они ведут себя и как темная энергия, и как темная материя", - говорит Марш.

Аксионы потенциально способны объяснить и ряд других загадок. Однако результат поляризации Планка - самый удивительный, рассказывает Марш. Японская космическая обсерватория под названием LiteBIRD, запуск которой запланирован на 2028 год, специально предназначена для измерения поляризации CMB. Это позволит подтвердить наличие или отсутствие необычного вращения. Если сигнал подтвердится, то, возможно, эти странные аксионы, которые ведут себя как темная энергия, а затем темная материя, существуют. "Мы можем попытаться их отыскать, и если нам повезет, они могут оказаться чуть ниже наших нынешних верхних пределов", - говорит Марш.

Обнаружение аксионов

А тем временем эксперименты по поиску аксионов на Земле идут полным ходом. Пожалуй, самым успешным на сегодняшний день является эксперимент Axion Dark Matter Experiment (ADMX) в Университете Вашингтона в Сиэтле, в ходе которого с помощью магнитов ученые пытаются поймать аксионы, распадающиеся на фотоны, что, согласно теории, они должны делать под воздействием магнитного поля. Правда, это слишком медленный способ, поскольку он требует большого количества измерений, говорит Грей Рыбка, руководитель эксперимента. Это "как AM-радио", - говорит он, - только вместо радиостанции мы настраиваемся на аксионы.

На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной

До сих пор ADMX, работающий с 1996 года, проанализировал лишь небольшую часть, около 5 процентов, потенциального диапазона масс аксиона. Тем не менее эксперимент продолжает работать и расширять диапазон поиска, и обнаружение может произойти в любой момент. " Аксион может быть обнаружен уже завтра", - говорит Марш.

На этом фоне проводятся и другие, более мелкие эксперименты, использующие ту самую особенность, которая сделала аксионы столь малопривлекательными: их широчайший диапазон возможных масс. Например, в Университете Шеффилда в 2024 году начнется новый эксперимент под названием Quantum Sensing for the Hidden Sector ("Квантовое зондирование скрытого сектора"), авторы которого тоже решили поискать аксионы. По словам Доу, руководителя проекта, эксперимент будет проходить в более холодных условиях, чем другие поиски аксионов, при температурах, близких к абсолютному нулю. "Это позволит нам перейти в квантовый режим", - говорит ученый. "Мы должны быть более гибкими, чем другие эксперименты".

"Сегодня появились идеи охватить сразу весь диапазон масс, которыми, по нашему мнению, может обладать аксион", - говорит Марш. "Это очень, очень интересно". По словам Лауры Баудис из Цюрихского университета (Швейцария), на фронте темной материи существует определенная конкуренция между ВИМПами и аксионами. Поиски ВИМПов продолжаются, но количество мест, где они могут скрываться, с каждым годом становится все меньше и меньше. Что касается аксионов, то многие возможные варианты еще только предстоит изучить. "Между экспериментами с аксионами и WIMP идет гонка, но при этом они дополняют друг друга, поскольку ищут разные частицы, - говорит Бодис.

Если аксионы действительно будут обнаружены, они смогут устранить целый ряд "проблем" в нашей Вселенной. В этом отношении они действительно оправдывают свое название, навеянное сдерживающим фактором". Вильчек, например, убежден, что в конце концов мы их найдем. "Теоретически нет другого способа решить стоящие перед нами задачи", - говорит он. " Эта частица просто обязана существовать".

Другие проблемы

Теоретические частицы, называемые аксионами, могут дать ответы еще на две загадки космологии, помимо темной материи и темной энергии. Первая — это хаббловская напряженность. Это вопрос о том, почему, прогнозируя скорость расширения Вселенной на основе анализа света, оставшегося после Большого взрыва, известного как космический микроволновый фон (CMB), мы получаем скорость, отличную от той, что мы видим, глядя на скорости звезд, удаляющихся от нас локально. "Аксионы могут изменить историю Вселенной, - говорит Франческа Чада-Дэй из Даремского университета (Великобритания). Если бы определенные виды аксионов существовали в ранней Вселенной, они могли бы изменить то, что мы предсказываем на основе CMB, устранив напряженность".

Вторая загадка - почему вообще все существует. Когда Вселенная родилась, материя и антиматерия должны были образоваться в равных количествах, аннигилировать и оставить после себя пустоту. Этого, разумеется, не произошло. И вот выясняется, что вращающееся аксионное поле может объяснить этот дисбаланс.