Уже много лет астрофизики бьются над главной головоломкой мироздания: галактики вращаются слишком быстро. Если бы существовала только видимая материя, гравитация разорвала бы их в клочья. Значит, есть нечто, что мы не видим, но что обладает массой,– темная материя. есятки экспериментов не смогли «поймать» ни одной ее частицы. Российские ученые из НИЯУ МИФИ вместе с коллегами из ЮФУ, Университета Тор Вергата и INFN предложили не просто новую частицу, а целую «темную химию» и концепцию «темного атома». О том, почему это не фантастика, где искать многозарядные частицы, рассказывает один из руководителей исследования, главный научный сотрудник Института физики ЮФУ, профессор кафедры физики элементарных частиц НИЯУ МИФИ Максим Хлопов. Вместе с коллегами он разработал модель, в которой темная материя образует нейтральные «темные атомы» из сверхтяжелой частицы X и ядер гелия.
Первоначально интервью опубликовано в издании «Коммерсант».
Так нейросеть "Гигачат" видит "темные атомы"
– В чем принципиальное отличие концепции «темной химии» с аналогами электронов, протонов и фотонов от прежней охоты за одной-единственной частицей темной материи?
– Следует отметить, что неизбежные расширения Стандартной модели фундаментальных взаимодействий, необходимые для решения ее проблем, предсказывают очень широкий круг возможных кандидатов на роль частиц скрытой массы. Прежнюю охоту за одним-единственным типом частиц скрытой массы – массивными слабовзаимодействующими частицами (WIMPs – Weakly Interacting Massive Particles) – стимулировали расчеты их современной плотности, соответствующей наблюдаемой плотности скрытой массы, ожидание открытия суперсимметричных партнеров таких частиц на БАК и возможность регистрации ядер отдачи от редких событий столкновения этих частиц в подземных детекторах. Отсутствие положительных результатов – как поиска суперсимметричных частиц в БАК, так и эффектов ядер отдачи в подземных экспериментах – заставляет обратиться к анализу других возможных форм скрытой массы. При этом гипотеза «темных атомов» привлекает только одно-единственное отклонение от известной физики – существование их -2nе заряженных составляющих.
– Сверхтяжелая частица X захватывает ядро гелия, образуя нейтральный «темный атом». В обычном мире положительный гелий и отрицательный электрон притягиваются и дают стабильный атом. А что удерживает вашу пару? Ведь частица X и ядро гелия – это два тяжеловеса. Не разлетятся ли они от малейшего толчка?
– Ни в коем случае, чем больше масса составляющих связанной системы заряженных частиц, тем больше их энергия связи. Мюон в 210 раз тяжелее электрона, и в экспериментально исследуемых мюонных атомах соответственную величину дают измерения их энергии связи. В случае Х ситуация еще более интересная. Они представляют собой многозарядный электрон, в миллионы раз более тяжелый, так что их связное состояние с ядром выглядит как атом Томсона – они находятся внутри ядра и компенсируют его электрический заряд. По сути, получается новая форма нейтральной ядерной материи.
Максим Хлопов
– Во Вселенной водорода гораздо больше, чем гелия. Почему частица X в вашей модели захватывает именно ядро гелия, а не простой протон? Это случайность или у этого выбора есть глубокое физическое обоснование?
– Конечно, водорода больше, и если бы Х были свободны, то они бы предпочтительно с ним связывались. Но поскольку энергия связи с водородом в 16 раз меньше, чем с гелием (пропорционально квадрату заряда и массе), в период, когда образуется первичный гелий, температура столь высока, что связные состояния Х с водородом должны быть полностью ионизованы, так что, когда в ходе расширения Вселенной температура уменьшается и Х могли бы связываться с протонами, свободных Х просто не остается – все Х уже связаны с гелием.
– Это звучит почти как магия: невидимая частица, которая почти ни с чем не взаимодействует, вдруг «прилипает» к ядру натрия и дает вспышку. Объясните этот процесс на бытовом уровне.
– Не совсем так. Это нейтрализованное ядро, у него ядерное взаимодействие, за счет которого космические темные атомы, упруго взаимодействуя с ядрами вещества земной породы, термализуются и диффундируют к центру Земли. В условиях подземных экспериментов они диффундируют, проходя метр за секунду, испытывая упругие столкновения с ядрами. Но в редких случаях они сталкиваются неупруго и прилипают к ядрам. Расчеты показывают, что прилипание к натрию более вероятно, чем к иоду, в эксперименте DAMA/LIBRA, и при таком прилипании выделяется энергия именно в том диапазоне, в котором регистрируются сезонные сигналы в этом эксперименте.
– Многие слышали, что эксперимент DAMA/LIBRA десятилетиями наблюдает странный сезонный сигнал, а более современные и чувствительные детекторы вроде XENONnT ничего не видят. Ваша модель объясняет это тем, что у разных ядер разная «способность» ловить темные атомы. Но для обычного человека это звучит как оправдание: «нам не повезло, у других просто не тот материал». Как вы можете убедительно доказать, что это не отговорка, а реальное физическое предсказание вашей теории?
– Здесь дело не в селективности, а в том, что поиск WIMP основывается на регистрации ядер отдачи в определенном диапазоне энергий. В условиях подземных экспериментов темные атомы уже термализованы и отдача ядер в упругих столкновениях значительно ниже порога регистрации. Более того, если темный атом прилипает к ядру ксенона, то выделяется энергия, значительно большая, чем ожидаемый эффект отдачи, и эти события воспринимаются как фоновые.
– «Целый темный мир со своей химией, физикой и, кто знает, историей» – насколько далеко можно зайти в этой фантазии? Могут ли там быть темные молекулы, темные планеты, темная эволюция? Или это чистая поэтическая метафора, а на самом деле «темная химия» сводится к двум-трем типам частиц?
– Фантастические только следствия, строго вытекающие из корректного квантовомеханического описания структуры и взаимодействия темных атомов. Возможно, этот термин не совсем удачный, поскольку наводит на мысль о темной химии, в то время как здесь мы имеем дело с новым типом ядерной материи и новым видом ядерных процессов. Мы сейчас только приступаем к анализу всей полноты их физических и астрофизических проявлений. Главное новое физическое явление – стабильные многозарядные частицы. Их поиск на БАК может либо исключить нашу гипотезу, либо экспериментально подтвердить ее, проливая свет на природу темной материи и в том числе открывая прорыв в ядерной технологии.
Исследование поддержано грантом РНФ N-25-22-00006.
Подготовлено при поддержке Минобрнауки
