Прискорювачі частинок дають фізикам змогу зазирати дедалі далі в минуле, щоб повернутися у світ високих енергій — ранній Всесвіт, невдовзі після Великого вибуху. Чи можемо ми відповісти на запитання, чи справді чотири сили, які ми спостерігаємо сьогодні, — гравітація, електромагнітні сили, слабкі й сильні — зливаються за ультрависоких енергій у єдину силу? Взаємодія частинок за таких енергій дасть перший доказ такого об'єднання сил. Хоча інтерес до цих питань і далі зростатиме в міру проведення нових спостережень у космологічних масштабах, очевидно, що задовільні відповіді на них потребують фундаментального прогресу в нашому розумінні мікросвіту.
Цей огляд є продовженням:
- Темна матерія. Вступ
- Спостережні докази існування темної матерії
- Феноменологічні властивості темної матерії
- Реліктова густина темної матерії
- Детектування темної матерії — космологічні спостереження
Тут ключові події у фізиці елементарних частинок і космології відкладено вздовж осі космологічного часу. У міру того як експерименти просувалися в область дедалі менших масштабів довжини (більших енергій), фізики діставали можливість наближатися в часі дедалі ближче до Великого вибуху. Так, атомна фізика потрібна для того, щоб інтерпретувати
Упродовж кількох наступних років прискорювач LHC (Large Hadron Collider) відіграватиме критичну роль у проникненні на масштаб Фермі [63]. Якщо частинки темної матерії справді мають маси порядку масштабу Фермі, то цей прискорювач буде найважливішим інструментом для вивчення темної матерії та ідентифікації частинок, з яких вона складається.
Одна з поширених хибних думок полягає в тому, що єдине, що робить прискорювач, — відкриває нові частинки. Правильніше вважати, що відкриті частинки — інструмент для розв'язання фізичних головоломок і відкриття нових законів природи. Ньютон працював з яблуком, Ейнштейн — з поїздами та швейцарськими годинниками. Сьогодні фізики використовують прискорювачі для відкриття нових законів мікросвіту. Якщо Великий вибух став джерелом такої гігантської кількості темної матерії, то, можливо, і ми зможемо породити її (хай і не в такій кількості), якщо створимо умови, близькі до умов Великого вибуху.
Для нефахівців кілька слів про те, що являє собою LHC, — представник нового покоління прискорювачів, імовірно, останнього покоління прискорювачів такого типу. Хоча поки що це й здається фантастикою, нові методи прискорення дадуть змогу замінити нинішніх монстрів настільними приладами. Почавши роботу влітку 2007 року, LHC зіштовхуватиме протонні пучки з енергіями в системі центра мас 14 TeV, що перевищують приблизно у десять разів енергії, досягнуті раніше. Він буде розташований поблизу Женеви, у підземному тунелі завдовжки 27 км, де до 2000 року був розташований електронний прискорювач. LHC — частина прискорювального комплексу European Laboratory of Particle Physics (CERN).
Створення густини енергії, необхідної для народження темної матерії, — одна з цілей протон-протонних зіткнень на LHC. Протони в пучку мають енергію 7000 GeV, тобто в 7500 разів більшу за енергію спокою. У перегонах до Місяця протони відстали б від фотонів лише на 2.7 метра. Пучок складатиметься зі згустків по 1011 протонів у кожному. Енергія, накопичена в пучку, — 108 Дж. Якби її вивільнити миттєво, можна було б випарувати 300 кг води.
Три детектори реєструватимуть протон-протонні зіткнення: ATLAS, CMS, LHCb (для кварків). Четвертий детектор ALICE буде використано для вивчення зіткнень важких іонів.
Кілька слів про другий проєкт, значною мірою орієнтований на вивчення темної матерії, ILC (International Linear Collider) [25]. Це електрон-позитронний прискорювач, який також є міжнародним проєктом. Тут ситуація з введенням його в дію складніша, точна дата невизначена. Проте програма досліджень на ньому інтенсивно обговорюється.
Оскільки ми заговорили про циклічний і лінійний прискорювачі, варто зазначити таку обставину. Історія фізики прискорювачів багаторазово підтверджує, що результати, отримані на одному прискорювачі, стимулювали відкриття на іншому. Наприклад, експерименти з розсіяння протонів на протонах привели до народження нових частинок, але мало дали для розуміння структури протона. Подальші експерименти з електронними пучками виявили, що протон складається з кварків. Надалі експерименти дали змогу визначити, як кварки розподілені всередині протона, що було важливо для експериментів на протонних прискорювачах. Аналогічна ситуація має місце і для нової пари прискорювачів LHC-ILC. Фізики майже не сумніваються, що частинки темної матерії народжуватимуться в протон-протонних зіткненнях на LHC. Однак через малий поперечний переріз вони не зможуть бути зареєстровані наявними детекторами. Їхню присутність можна виявити лише у вигляді нестачі енергії та імпульсу. Аналогічна ситуація, наприклад, мала місце під час дослідження $\beta $-розпаду.
Опис процесів із частинками, частина яких не реєструється, висуває високі вимоги до кінематики. У протонних зіткненнях на LHC складена природа протонів створює додаткові труднощі для кінематики. Протон подібний до крихітного мішка, набитого кварками та глюонами. У будь-якому конкретному зіткненні невідомо, які саме кварки та глюони стикаються і які їхні енергії.
Зупинімося тепер на питанні про взаємозв’язок космологічних спостережень та експериментів на прискорювачах (у ширшому сенсі — фізики елементарних частинок), пов’язаних із дослідженням темної матерії [63]. Обговорюючи це питання, обмежимося випадком нейтралінної темної матерії. У цьому разі, оскільки нейтраліно є наслідком суперсиметрії, експериментальне виявлення нейтралінної темної матерії було б вагомим аргументом на користь існування суперсиметрії.
Перше, що ми маємо зрозуміти, обговорюючи це питання, — обмежені можливості як космології, так і фізики елементарних частинок, якщо вони працюють окремо. Суть справи полягає у двох твердженнях. Перше з них полягає в тому, що космологічні спостереження та астрофізичні експерименти не можуть відкрити суперсиметрію.
Друге твердження полягає в тому, що експерименти на прискорювачах не можуть відкрити темну матерію. Якщо суперпартнери з масою порядку слабкого масштабу існують, прискорювачі частинок майже напевно будуть здатні відкрити принаймні частину з них. Однак докази того, що саме ці частинки утворюють темну матерію, виходять далеко за межі таких експериментів. Наведімо такий приклад. Легко уявити, що електрони, протони та нейтрони могли бути відкриті на прискорювачах. Але зовсім неймовірно припустити, що в експериментах на прискорювачах можна довести, що густина заліза дорівнює 7.8 g/cm3. Крім того, експерименти на прискорювачах можуть перевірити стабільність таких частинок лише до часів порядку 10-7 секунди. Отже, висновок про те, що ми бачимо в експериментах на прискорювачах частинки темної матерії, потребує невиправданої екстраполяції на 24 порядки щодо часу життя.
Лише поєднання обох підходів, можливо, приведе до повної та адекватної теорії темної матерії. Схематичну картину комбінованих досліджень нейтралінної темної матерії подано на рис. 12. Рухаючись знизу цієї таблиці, бачимо, що космологічні спостереження вже зараз можуть визначити реліктову густину з певною точністю.
Водночас, рухаючись від верхньої частини рис. 12, ми виконаємо такі кроки: припустимо існування суперсиметрії та визначимо в експериментах на прискорювачах параметри використовуваної суперсиметричної моделі. Ці параметри, в принципі, дозволять встановити теплову реліктову густину, поперечні перерізи $\chi N$ розсіяння та $\chi \bar \chi $ анігіляції. Завершальна частина цієї програми — детальне порівняння з високою точністю «прискорювальної» реліктової густини з космологічною — остаточно визначить придатність нейтраліно як частинки, що становить темну матерію.
Яким буде підсумок виконання такої програми? Якщо реліктова густина та інтенсивності взаємодії, визначені космологічними спостереженнями, з високою точністю збігатимуться з передбаченнями фізики елементарних частинок, що ґрунтуються на експериментах на прискорювачах, це буде серйозним аргументом на користь того, що темна матерія суперсиметрична. Це означатиме, що в розумінні Всесвіту ми дійшли до температури $ \sim 10\,GeV$або часу $ \sim {10^{ - 8}}s.$ Нагадаємо, що наші поточні знання історії Всесвіту дозволяють просунутися лише до температур ядерного синтезу $ \sim 1\,MeV$або часів $t \sim 1\,s$. Просування назад у часі на 8 порядків — гігантське досягнення.
 |
Рис. 12. Шлях до мікроскопічного розуміння нейтралінної темної матерії [63]. |
Можливий і песимістичніший сценарій: реліктова густина та константи взаємодії частинок темної матерії, отримані в космології та фізиці елементарних частинок, виявляться неузгодженими. Якщо розбіжність буде великою, доведеться звернутися до інших частинок-кандидатів, наприклад до аксіонів або інших суперсиметричних можливостей. Якщо ж реліктові густини виявляться досить близькими, то можна буде дослідити можливість нестабільності нейтраліно: у цьому разі більша частина його реліктової густини буде пов’язана з гравітино як LSP.
Як альтернативне пояснення можна використати й нестандартні космологічні підходи. Ототожнення теплової реліктової густини зі спостережуваною нині густиною холодної темної матерії є певним космологічним припущенням. Обчислення теплової реліктової густини передбачає, що головним джерелом темної матерії є частинки, які вийшли з теплової рівноваги. Можливо, однак, що основна частина темної матерії створена не шляхом виходу з теплової рівноваги та подальшого «замерзання», а через нерівноважні розпади надмасивних частинок. Дійсна реліктова густина в цьому разі виявиться більшою за теплову. Загалом у цьому разі можливі варіанти.
Цікава й така можливість: нейтраліно-нуклонні поперечні перерізи, відновлені за результатами експериментів на прискорювачах, не збігаються з космологічними. Особливо цікавий варіант, коли реліктові густини збігаються на рівні відсотка, а перерізи — значно гірше. Якщо ми будемо впевнені, що саме нейтраліно утворюють темну матерію, то нам слід звернутися до ретельнішого аналізу космологічних спостережень. Наприклад, частоти прямого детектування, як ми вже зазначали, містять інформацію про розподіл швидкостей, а непрямого — про профіль гало (тобто локальну густину). Аналіз розбіжностей між спостереженнями на прискорювачах і космологічними спостереженнями дозволить отримати цю інформацію.
Цю статтю люб’язно надав нам наш науковий керівник Болотін Ю. Л.
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):