Как поймать темную материю

Весь мир затаил дыхание и ждет прорывных открытий от астрофизиков. Именно им второй год подряд присуждается Нобелевская премия по физике. Когда же наконец будет поймана неуловимая, неосязаемая и невидимая темная материя?

В том, что это вещество существует, ученые не сомневаются. Однако все попытки его зарегистрировать до сих пор заканчивались неудачей. Академик РАН, главный научный сотрудник Института исследований РАН Валерий Рубаков рассказал в программе «Вопрос науки» о том, что удалось узнать ученым о самой загадочной материи во Вселенной.

Как ведутся поиски?

«Сейчас очень забавная ситуация — в физике элементарных частиц. Не только с точки зрения темной материи, но и всего остального. Мы подошли к тому краю, за которым начинается настоящая terra incognita», — рассказал Валерий Рубаков в интервью Алексею Семихатову на канале «Наука». По его словам, уже давно следовало бы найти темную материю и зарегистрировать ее частицы, но не получается.

Поиски ведутся многими разными способами. Нейтринные телескопы на Байкале и на Южном полюсе пытаются зарегистрировать вероятные продукты распада темной материи — частицы нейтрино. В ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере есть целая программа поиска частиц темной материи, которые могли бы рождаться в столкновении протонов. Ведутся также подземные поиски темной материи и идут теоретические работы: например, развиваются идеи о суперсимметрии, но и тут доказательств не хватает. Все попытки безуспешны, хотя в СМИ и появляются порой новости об открытии темной материи.

А где доказательства?

Почему ученые так уверены в том, чего не видели? У них есть множество косвенных доказательств. В первую очередь это гравитационные эффекты во Вселенной. Частицы темной материи притягивают другие тела, и обычные частицы, и свет. У них есть масса, и в скоплениях галактик темной материи гораздо больше, чем видимого светящегося вещества. Но поскольку она не излучает и не поглощает свет, то материя не видна, поэтому и называется темной.

«Без темной материи не было бы никаких галактик. И мы бы с вами не разговаривали сейчас, — рассказал Валерий Рубаков. — Просто потому, что обычное вещество не смогло бы собраться в сгусток. Не было бы ни звезд, ни галактик, все было бы однородно и неинтересно». Темная материя нам очень нужна, отметил ученый. Ведь образование скоплений галактик идет таким образом: сначала собираются сгустки темной материи, затем они притягивают к себе обычное вещество, и на этой основе образуется протогалактика. Существуют галактики, которые состоят почти исключительно из темной материи, обычного вещества там совсем мало.

Из чего состоит Вселенная?

По подсчетам физиков-теоретиков, темной материи в космосе в пять раз больше, чем обычного вещества. Хотя сами частицы никак напрямую зарегистрировать не удалось, ученые смогли точно рассчитать состав Вселенной. Темная материя составляет в ней 26%, а обычного вещества гораздо меньше — 4,8%. Крошечные частицы нейтрино совсем редки — составляют 0,1–0,5%. А оставшиеся 69% приходятся на темную энергию.

Когда галактики сталкиваются, обычное вещество притормаживает в месте встречи, а темная материя проскакивает друг через друга и удаляется: ее частицы не взаимодействуют ни с обычными частицами, ни между собой. Темная материя никак не структурирована. Это «мешки» частиц, которые удерживаются в одном месте под действием собственного тяготения.

Найдут ли темную материю?

Среди известных элементарных частиц нет ни одной, которая годилась бы на роль темной материи. Как же можно найти это неуловимое таинственное вещество? Валерий Рубаков назвал два варианта. Первый — это обнаружить его через слабые взаимодействия с обычным веществом. Ученые надеются, что пусть слабо, но частицы темной материи все же стукаются по ядрам обычных частиц. Второй способ — «родить», образовать эту частицу на Большом адронном коллайдере.

Валерий Рубаков не исключает, что ученым может сильно не повезти. «Эти частицы могут оказаться близкими родственниками гравитона, а гравитон никогда в жизни не зарегистрируешь, поскольку у него слабенькие гравитационные взаимодействия, — говорит Рубаков. — Если это ближайшие родственники этого самого гравитона, то все, задача безнадежна». Тогда астрофизикам и всему человечеству придется смириться с неуловимостью темной материи.

По мнению академика РАН, поиски неуловимого космического вещества будут продолжаться еще 20–30 лет, а может быть полстолетия. Ученые не остановятся, пока не перепробуют все способы, ведь физика — наука экспериментальная.