Тёмная материя

Российские ученые ожидают найти взрывающиеся бозе-астероиды • Библиотека

У большинства физиков нет сомнений в существовании темной материи (которая участвует почти исключительно в гравитационных взаимодействиях и недоступна прямым наблюдениям), однако из каких именно частиц она состоит, пока неизвестно. Сравнительно недавно наиболее популярной считалась модель холодной темной материи, состоящей из массивных вимпов (WIMPs, Weakly Interacting Massive //  elementy.ru

 

Сравнительно недавно наиболее популярной считалась модель холодной темной материи, состоящей из массивных вимпов (WIMPs, Weakly Interacting Massive Particles), однако неудача с поиском тяжелых частиц на Большом адронном коллайдере (помимо бозона Хиггса) если и не подорвала основы этой теории, то наложила новые серьезные ограничения на возможные параметры подобных частиц. К тому же актуальной остается проблема дефицита карликовых галактик (см. врезку ниже) и несоответствия в распределении темного и обычного вещества внутри крупных галактик — так называемая проблема каспов (Cuspy Halo Problem). Ведь согласно модели WIMPs, плотность гало темной материи в центральных областях галактик — в их балджах — должна резко возрастать, а результаты наблюдений этого не подтверждают.

Поэтому в последние годы интерес теоретиков сместился в сторону рассмотрения иных форм темной материи — легких частиц, прежде всего аксионов, а также «размытой» холодной темной материи (см. врезки ниже). Интересно, что если частицы темной материи достаточно легкие и относятся к частицам с целочисленным спином — бозонам (а бозоны, в отличие от составляющих обычное вещество фермионов, не подчиняются принципу запрета Паули и произвольное количество частиц может одновременно находиться в одном и том же состоянии), то могут образовывать бозе-конденсат — благодаря волновым свойствам объединяться, оказываясь при этом в состоянии, обладающем наименьшей энергией, заполняя галактики своеобразными крупными каплями — так называемыми бозе-звездами (которые, разумеется, имеют вовсе не звездную природу — ни о каких термоядерных реакциях внутри них речи не идет). Эти квазизвезды именуются также аксионными, темными, либо прозрачными.

В 2018 году в журнале Physical Review Letters была опубликована статья1 физиков-теоретиков из Института ядерных исследований РАН, посвященная моделированию поведения легких частиц темной материи внутри галактических гало. Авторам тогда впервые удалось показать, что бозе-звезды могут формироваться в современной Вселенной исключительно за счет гравитационного взаимодействия (без дополнительных предположений о самодействии темной материи), причем чем меньше масса отдельных аксионов, тем быстрее будут возникать подобные структуры. Фактически такая «звезда» ведет себя во многом как одна-единственная частица и обладает типичными «атомными» свойствами2. Такие тяжелые объекты могут стать причиной ряда впечатляющих наблюдательных явлений.

 

Но в последнее время всё более популярной становится концепция легкой темной материи (имеется в виду, что частицы легкие — как минимум на несколько порядков легче, чем электрон). Такая темная материя интересна тем, что в ней квантовые явления могут наблюдаться на больших, прямо-таки астрономических масштабах. Одно из квантовых явлений — это бозе-эйнштейновская конденсация, когда квантовые частицы при низкой температуре образуют сверхтекучую жидкость. В статье 2018 года мы показали, что если темная материя легкая, то бозе-конденсация может произойти прямо внутри галактик или еще более маленьких подструктур — мини-кластеров. В этом случае вся галактика покроется такими «росинками», которые называются бозе-звездами и представляют собой «капельки» бозе-конденсата. Если говорить точнее, то внутри каждой подструктуры — мини-кластера — возникнет по бозе-звезде.

 

Теперь про размеры бозе-звезд. Чтобы выяснить, какая масса получится у «капелек», надо отталкиваться от конкретной модели темной материи. Мы заложили модель, где темная материя состоит из аксионов КХД с массой 10–4 эВ (это довольно популярная модель). В этом случае масса «капелек» темной материи сейчас — как у астероидов (типа 10–16–10–12 массы Солнца). И размеры таких бозе-звезд — примерно 100 км, в этом они тоже напоминают астероиды.

 

Объяснение радиовсплесков — это еще один интересный сюжет. Дело в том, что если темная материя состоит из аксионов КХД, то она взаимодействует с фотонами (потому что аксионы КХД распадаются на два фотона). Это взаимодействие пренебрежимо почти всегда, кроме одного случая. Если бозе-звезда становится тяжелой (10–12 массы Солнца или тяжелее), то количество фотонов в ней может начать расти экспоненциально (родившиеся фотоны как бы заставляют аксионы бозе-звезды распасться). В этом случае бозе-звезда может взорваться, породив вспышку электромагнитного излучения. Частота — гигагерцы, полная энергия — типа 1040 эрг, и это совпадает с радиовсплесками. Есть детали, которые не совпадают, но здесь нужно тщательнее обсчитывать разные сценарии.

 

— Вроде бы раньше по размерам и массам допускался весьма большой разброс — говорилось даже, что такие объекты могут быть сопоставимы с крупными галактиками, а по форме могли быть и бублики и еще какой-то формы... Были и рассуждения о том, что они могут обладать видимыми в обычном диапазоне аккреционными дисками... Но объекты, по массе и размерам сопоставимые с астероидами, очевидно, аккреционных дисков иметь не могут?

— Если темная материя — это аксионы КХД с массой частицы 10–5 эВ, то максимальная масса бозе-звезд — 10–12 массы Солнца. Они реально такие могут вырасти, а при больших массах уже взрываются как бозе-новые.

Если темная материя — частицы малой массы — 10–22 эВ (это называется «расплывчатой» темной материей), то массы у бозе-звезд, в принципе, могут быть большие: 108 масс Солнца в карликовых галактиках и, возможно, 109 в нашей галактике. Наша формула говорит, что они реально до таких размеров могут дорасти. Это были бы гигантские невидимые шары в центрах галактик размером в 200 парсек. Но здесь проблема: текущие ограничения на массу частицы темной материи говорят о том, что она выше 10–19 эВ. При таких параметрах бозе-звезды в центрах галактик должны быть менее массивными сами по себе. Да еще и наша формула показывает, что они почти не растут (даже не образуются, по-видимому). При промежуточных значениях масс частиц бозе-звезды будут иметь промежуточные массы и размеры.

 

Про форму история тоже очень интересная. Оказывается, вращающиеся бозе-звезды должны иметь форму бублика с дыркой в центре. Это связано с тем, что вращающийся бозе-конденсат должен содержать вихрь, в центре которого плотность равна нулю. Было бы интересно обнаружить такие «бублики», летающие по Вселенной. Но вот незадача: они нестабильны (см. выше)!

 

— Есть одно такое смешное замечание. Если подобная бозе-звезда врежется в Землю, то экспериментаторы, которые ищут темную материю, ничего не заметят. У них просто приборы переклинит, ведь на такой сигнал их инструменты не рассчитаны. Как следствие они выбросят результат в ведро, подумав, что произошло короткое замыкание или что-то подобное. А обыватели почувствуют толчок и примут его за небольшое землетрясение!

 

В-третьих, недавно оказалось, что бозе-звезды не умеют вращаться. Все объекты во Вселенной — звезды, планеты, галактики — умеют, а «капельки» бозе-конденсата — не умеют...

— То, что бозе-звезды не умеют вращаться, можно считать еще одним необычным проявлением их квантовых свойств, — комментирует Александр Панин. — Ведь бозе-звезда — это «капля» конденсата Бозе — Эйнштейна. Чтобы понять, как она должна вращаться, нужно вспомнить, как вращается любая жидкость. Если, к примеру, покрутить воду в стакане, то в его центре появится «вихрь» — столбик воздуха, вытянутый вдоль вертикальной оси. Вода будет двигаться вокруг этого столбика. Аналогично должна крутиться бозе-звезда. Однако в стакане вращающуюся воду удерживают его стенки. Для бозе-звезды роль «стенок» выполняет ее собственное гравитационное притяжение. В своей предыдущей работе мы выяснили, что гравитационное притяжение не способно удержать вращающуюся бозе-звезду; она оказывается нестабильной. Таким образом, если попытаться ее раскрутить, то она просто разваливается.

И есть еще одно интересное свойство бозе-звезд, которое проявляется, если частицы темной материи, из которой они состоят, все-таки взаимодействуют друг с другом не только гравитационно, но и как-то еще. К примеру, для аксионов КХД и «расплывчатой» темной материи предсказывается существование дополнительного короткодействующего притяжения. Это дополнительное притяжение между отдельными частицами ничтожно мало, но в бозе-звезде взаимодействует гигантское число аксионов, и дополнительное притяжение между ними может оказаться существенным. Так, при массе бозе-звезды больше некоторой критической это притяжение вызывает коллапс: аксионы начинают падать на центр. Что будет дальше, зависит от того, существуют ли еще взаимодействия, которые могут стать существенными при еще бо́льших плотностях. Так, для аксионов КХД может стать существенным взаимодействие с фотонами.

 

«Размытая», «расплывчатая», или «нечеткая» холодная темная материя

Fuzzy Cold Dark Matter9 — это гипотетическая форма холодной темной материи, состоящая из чрезвычайно легких скалярных частиц с массами порядка 10–22 эВ; поэтому ее комптоновская длина волны (величина размерности длины, характерная для релятивистских квантовых процессов, идущих с участием этой частицы) порядка 1 светового года. Нечеткие гало холодной темной материи в карликовых галактиках будут проявлять волновые свойства в астрофизических масштабах. Такое волновое поведение приводит к интерференционным картинам, сферическим солитонным ядрам в гало-центрах темной материи и цилиндрическим солитоноподобным ядрам в нитях космической паутины темной материи. Свежее исследование10 намекает на то, что нечеткая темная материя, особенно в форме сверхлегких аксионов, может лучше соответствовать данным по гравитационному линзированию, чем темная материя WIMPs (наиболее популярной прежде концепции гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц холодной темной материи).

 

Вновь ненайденные вимпы - Троицкий вариант — Наука

26 августа была обнародована важная и долгожданная информация о текущих результатах международной научной коллаборации LUX–ZEPLIN (LZ), занятой поиском частиц темной материи. Эти сообщения были одновременно сделаны на конференциях TeV Particle Astrophysics в Чикаго и LIDINE в Сан-Пауло. Ученые подвели итог двух раундов наблюдений на самом чувствительном в мире ксеноновом детекторе частиц темной материи, установленном на глубине 1480 м на бывшем золотом руднике Хоумстейк в Южной Дакоте (сейчас там расположена подземная лаборатория Sanford Underground Research Facility, SURF). В общей сложности наблюдения заняли 280 дней: 60 в течение первого раунда и еще 220 во втором, с марта 2023 года по апрель 2024-го. Основная новость: никаких следов частиц темной материи пока не обнаружено. //  www.trv-science.ru

 

А пока как же быть с вимпами? Результаты многочисленных экспериментов последних десятилетий привели к закрытию многих теоретических моделей этих частиц, некоторые из которых в свое время выглядели весьма привлекательно. Например, сейчас сильно уменьшилось доверие к описанию взаимодействия вимпов с атомными ядрами посредством обмена бозонами Хиггса, в недавнем прошлом весьма высокое. В то же время физики всё еще рассматривают немало правдоподобных моделей вимпов, которые пока невозможно проверить ни в астрофизических наблюдениях, ни в экспериментах на ускорителях. Так что «вимповая парадигма» (The WIMP Paradigm) всё еще жива, хотя уже потеряла свою былую квазимонополию. В рамках этого понимания ее нынешней роли и следует оценивать только что опубликованные результаты коллаборации LZ.

Конечно, поиск частиц темной материи через их столкновения с атомами тех или иных рабочих веществ (а ими могут быть не только газы, но и кристаллические структуры) — отнюдь не единственный путь. Для отлова частиц с массами заметно меньше 1 ГэВ (в англоязычной литературе они называются sub-GeV dark matter) могут использоваться их столкновения с электронами. Это новое направлении в охоте за темной материей, и оно сейчас постепенно набирает популярность. Однако же здесь (как, впрочем, и в газовых детекторах) возникает проблема так называемого нейтринного тумана (neutrino fog). Речь идет о рождении нейтринного фона, который будет вуалировать сигналы от частиц темной материи и тем самым затруднять их детектирование. Эта опасность особенно велика в том случае, если массы частиц будут измеряться всего лишь сотнями или десятками электронвольт. Пока что экспериментаторы до нейтринного тумана еще не дошли, но, как считается, это время не за горами. Его следы как раз и были выявлены в экспериментах на детекторах PandaX-4T и XENONnT.

 

Я попросил прокомментировать проблему поиска и нынешнего статуса вимпов члена-корреспондента РАН Сергея Вадимовича Троицкого, главного научного сотрудника Института ядерных исследований РАН. И вот что он написал:

«Считаю поиски WIMP’ов — вплоть до „нейтринного тумана“, который раньше назывался нейтринным полом и уже практически достигнут (два эксперимента по поиску темной материи уже выдали потоки солнечных нейтрино!), — очень важными, результаты LZ отличные. Но не менее важно прорабатывать и другие варианты.

Дело в том, что изначальная мотивация для частиц темной материи „навроде WIMPs“ состояла в естественности их теплового рождения в нужной концентрации в ранней Вселенной. Но требуемые для этого наиболее естественные параметры WIMPs давно закрыты, и поиски идут в области масс и сечений на порядки ниже. Это первое.

Далее, именно слабое взаимодействие (в смысле слабого взаимодействия Стандартной модели, как у нейтрино) было мотивировано суперсимметричными моделями. Легчайший суперпартнер должен был быть хорошим кандидатом на роль темной материи, потому что он стабилен — и попадал, в случае низкоэнергетической суперсимметрии, в нужные массы. Но это всё очень сильно „порезано“ с помощью LHC, так что тут уже всякая мотивация пропала. Это второе.

Поэтому WIMPs теперь — одни из кандидатов. А предпочтительных или самых популярных нет.

Современные эксперименты по прямому поиску WIMP заточены на низкие массы по одной простой причине — там самый низкий фон, легче дальше продвинуться, а раньше не особо этой областью интересовались.

Будущих проектов много (ARGO, DARWIN и т. д.), дойдут они, конечно, до нейтринного тумана, и будет хорошо. Может, что-нибудь интересненькое удастся сделать на Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, это обсуждается.

А при больших массах WIMPs удобнее искать через аннигиляционные и распадные излучения в астрофизике (indirect searches)».