Охота на темную материю

Анатолий ЛЕМЫШ | | |
Казалось бы, Украине с ее древними телескопами нечего делать в изучении космоса. Но это не так. Современная система кооперации научных исследований позволяет ученым Украины на равных участвовать в мировом научном процессе. Ведь в науке важны не только суперсовременная аппаратура, но и хорошие головы. А уж с этим у нас, невзирая на многие сложности, пока все в порядке.
Научный сотрудник Института теоретической физики им. Боголюбова НАН Украины Дмитрий Якубовский (на фото) недавно защитил кандидатскую диссертацию на тему Свойства темной материи по результатам астрофизических исследований. Отсутствие в стране космических телескопов и сверхчувствительных детекторов элементарных частиц не мешает получать серьезные результаты в этой фундаментальной теме, чрезвычайно важной для понимания строения Вселенной.
Журналист УТГ встретился с Дмитрием Анатольевичем.
Родился и вырос я в Кривом Роге, физикой увлекся еще с 8-го класса у нас был очень хороший учитель физики. Стал участвовать в олимпиадах. Потом переехал в Киев, учился в университете им. Шевченко на физическом факультете. Подключился к группе активных студентов и молодых ученых из Института теоретической физики им. Боголюбова.
На семинарах мы обсуждали самые последние исследования, проведенные в лабораториях мира. На 4-м курсе научный руководитель дал мне тему по космологии (напомню, это наука о том, как устроен космос), и я попытался разобраться в этой проблеме более глубоко. А в 2010 году окончил аспирантуру в институте теорфизики.
Дмитрий Анатольевич, как Украине, не имеющей своих космических телескопов, удается принимать участие в исследованиях, связанных с темной материей?
Мы создали так называемую виртуальную рентгеновскую обсерваторию. Идея ее вот в чем. Крупные научные проекты выкладывают в Интернете результаты экспериментов для свободного использования. Прежде всего это касается материалов, полученных с космических аппаратов телескопов и марсоходов.
Эти гигантские массивы данных могут обрабатывать ученые всех стран и институтов по своим методикам и программам, нужны только мощные компьютеры. Наша объединенная команда института теорфизики, университета и обсерватории подала заявку в швейцарский национальный фонд.
Проект виртуальной лаборатории предусматривал создание в Украине вычислительного центра для обработки данных, полученных при помощи космических телескопов в рентгеновском диапазоне. Стоимость проекта была небольшой около 70 тыс. долларов на три года (это дешевле, чем квартира в Киеве).
На эти деньги мы закупили компьютерные классы, развернули их в трех разных учреждениях. Исследования проходят так: мы выбираем космический объект, собираем данные по нему с разных телескопов, обрабатываем по своим методикам и пишем статьи.
Мне повезло, поскольку я оказался в команде, ставящей перед собой максимально трудные задачи. Руководитель нашего отдела в институте Валерий Павлович Гусынин специалист по теории поля, описавший многие свойства графена еще до того, как этот материал был получен в эксперименте.
Меня заинтересовала проблема поиска темной материи и темной энергии. Эти две субстанции введены физиками, чтобы согласовать физические законы, которым, по нынешним представлениям, подчиняется космос.
Если кратко, проблема темной материи (ТМ) может быть рассмотрена как задача, так сказать, бухгалтерии. В астрономии существует проблема подсчета масс. Конечно, мы не можем доставить весы на Альфу Центавра и измерить ее массу напрямую.
Есть косвенный метод, позволяющий определить массу объекта. Он основан на теории гравитации. По тому, как объекты вращаются вокруг друг друга, можно определить их массы. А масса звездного скопления, по идее, должна быть равна сумме масс звезд, в него входящих, не так ли?
Однако когда мы переходим к более сложным и крупным объектам, таким как скопления не звезд, а галактик, данный метод дает системную ошибку. Такое впечатление, что этот объект состоит из мелких объектов плюс еще из чего- то, что мы не видим. Этот довесок и называется темной материей. Причем считают, что ее во много раз больше, чем материи обычной, так называемой барионной.
Первый вопрос, который здесь возникает: перед нами некая неизвестная материя или же это изменение закона гравитации?
Совершенно закономерный вопрос. Поскольку измерение масс прямо связано с законом гравитации, возможно, никакой темной материи не существует? Может, дело в том, что, начиная с какого-то масштаба, закон гравитации не соответствует теории Ньютона и Эйнштейна, а принимает другую форму?
На этой идее построены разные альтернативные модели, не использующие гипотезу о темной материи. Сейчас эти теории не отвергнуты, но считается, что модель с темной материей лучше описывает экспериментальные данные.
Ну а если придерживаться гипотезы о существовании темной материи, то встает другой вопрос: из чего она состоит? Понятно, что ТМ не может состоять ни из одной из известных нам элементарных частиц. Потому что эта таинственная материя очень слабо взаимодействует с обычным веществом, с электромагнитным излучением и так далее.
Мы не можем ее никак увидеть, зафиксировать, кроме как с помощью гравитации. Вывод: ТМ состоит из неких неизвестных частиц, и искать их надо вне структуры Стандартной модели физики элементарных частиц.
Предложено довольно много вариантов расширения Стандартной модели. Так, выдвинута теория суперсимметрии. Суть ее в том, что у каждой известной нам частицы есть частица-суперпартнер с намного большей массой. Однако это расширение не является минимальным.
На сегодня известно несколько десятков частиц, и если каждой из них поставить в соответствие суперпартнера, получим еще несколько десятков неизвестных частиц. Получается очень сложная конструкция.
Мы исходим из другого предположения: в Стандартную модель достаточно добавить 23 новые частицы так, чтобы с их помощью описать не только темную материю, но и другие непонятные пока явления.
Какие это явления? Расскажите подробнее, пожалуйста.
Это осцилляция нейтрино превращение электронных нейтрино в мюонные и тау- нейтрино. Такие осцилляции были открыты около 20 лет назад.
Стандартная модель в исходной версии не описывает массы нейтрино и их осцилляции. Или тот факт, что мы с вами, упрощенно говоря, состоим из вещества, а антивещества во Вселенной, по-видимому, очень мало. Хотя по теории их должно быть примерно поровну. Это непонятно.
В 2004 году физик Михаил Шапошников из Лозаннской политехнической школы предложил модель, позволявшую одновременно объяснить и темную материю, и наличие асимметрии во Вселенной, и осцилляцию нейтрино. Более того, оказалось, что частица кандидат на роль кирпичика ТМ, введенная Шапошниковым, вполне может быть обнаружена с помощью уже существующей аппаратуры. Именно к разработке и проверке данной теории я и подключился.
Я занимаюсь поиском гипотетических частиц они получили название стерильные (или массивные) нейтрино. Известно, что обычные нейтрино крайне неохотно взаимодействуют с любыми другими частицами.
Первая моя работа состояла в том, чтобы показать теоретически, что стерильные нейтрино очень слабо (на порядки слабее, чем известные нам нейтрино) взаимодействуют с обычной материей. Это и было сделано. В экспериментах на Земле их просто невозможно поймать и измерить.
В вашей диссертации вы практически поставили крест на некоторых направлениях поиска темной материи и предложили ряд других. В чем их суть?
Мы показали, что в поисках стерильных нейтрино надо смотреть в космос. По теории, темная материя составляет вокруг галактик так называемые гало. Причем масса гало во много раз больше массы самой галактики.
И хотя частицы ТМ крайне слабо взаимодействуют с обычной материей (распадаясь на обычное нейтрино и фотон), но их общее количество так велико, что мы можем выявить сигнал от этих частиц при помощи астрофизических наблюдений. Ведь фотон это частица, которую мы очень хорошо умеем детектировать. Это принципиально новый метод исследования.
Первыми предложили его не мы. Но мы этот метод расширили, обобщили и можем использовать астрофизические наблюдения для прямой проверки того, что темная материя действительно состоит из стерильных нейтрино. Фотоны, образуемые при распаде стерильного нейтрино, очень отличаются от других фотонов, наблюдаемых нами в космосе.
Во-первых, энергия таких фотонов лежит в узкой области. Во-вторых, вычислены другие определенные характеристики этих фотонов. В частности, на спектре должна быть линия, которая не подходит ни под один известный элемент. Еще мы показали, что одним из наиболее перспективных объектов для поиска ТМ является галактика Андромеды, точнее, ее гало.
Это гало исследовалось европейскими астрономами с помощью рентгеновской космической лаборатории XMM-Newton. Данные обрабатывались несколькими коллективами ученых.
Увы, проведенный анализ спектра диффузного излучения гало Андромеды показал, что нет статистически значимой линии, которую можно было бы интерпретировать как линию распада темной материи. Более того, мы своими исследованиями закрыли одну из популярных гипотез о том, что подобная линия может сигнализировать о кандидате на темную материю.
Мы показали, что некая линия, обнаруженная одной из исследовательских групп, на самом деле имеет инструментальное происхождение. Она рождена внутри прибора.
Что ж, отрицательный результат тоже результат. Гипотеза, которую мы проверяли, является минимальной. Если она не подходит, значит, надо расширять модель.
Сейчас я как раз пишу работу для Европейского космического агентства, в которой надеюсь предусмотреть новую зону для поиска нужной линии в спектре. Космические телескопы могут проверить мои гипотезы в течение нескольких лет.
Как себя чувствуют украинские ученые в современном научном мире?
У нас сильные позиции в мировой науке. Теоретикам, как вы понимаете, не нужна очень дорогая аппаратура. Пользуясь массивами данных, полученных другими лабораториями и космическими аппаратами, мы можем проверять свои теоретические построения при сравнительно малых затратах. Было бы желание работать.
Что касается экспериментаторов, то многое зависит от того, как наши ученые строят отношения с международными коллаборациями. Скажем, в Институте ядерных исследований есть группа, сотрудничающая с коллаборациями, работающими на Большом адронном коллайдере и на разных детекторах элементарных частиц в Альпах.
Это позволяет нашим ученым иметь доступ к самым современным исследованиям. А украинские теоретические школы пользовались уважением во всем мире еще со времен Советского Союза.
Могу еще добавить: наш институт теорфизики и ряд других институтов НАН Украины сохраняют высокий научный потенциал, и когда страна преодолеет кризис, они станут хорошей точкой роста для всей украинской науки.