Существование темной материи под угрозой
Астрономия
28.02.11, Пн, 11:52, Мск
Стэйси Макго (Stacy McGaugh), астрофизик из Университета Мериленда,
опубликовал в журнале Physical Review Letters статью, которая
нанесла чувствительный удар по всеобщей уверенности в том, что
темная материя существует.
Его доводы основаны на старой и весьма противоречивой теории,
которую еще в 1983-м году выдвинул израильский физик Мордехай
Милгром (Mordehai Milgrom), пытаясь доказать, что темной материи не
существует. К тому времени ее существование уже давно считалось
доказанным, оно объясняло многие наблюдаемые странности, в первую
очередь то обстоятельство, что звезды на окраинах галактик движутся
очень быстро, со скоростями, которых ньютоновская динамика не
допускает. Милгром предложил объяснить эти странности не темной
материей, а тем, что в галактических масштабах работает не
ньютоновская механика, а какая-то другая; что при очень малых
ускорениях гравитационные силы прямо пропорциональны не значению
этих ускорений, а их квадрату.
Одним из главных предсказаний этой теории была связь между массой
галактики и скоростью вращения ее диска (то есть ее внешних звезд),
однако именно на этом предсказании сторонники Модифицированной
ньютоновской динамики (МОНД) спотыкались все эти 28 лет до сих пор,
поскольку массу звезд, а стало быть, и массу галактики очень трудно
рассчитать, и это вносило в их расчеты очень большую
неопределенность.
Стэйси Макго решил эту проблему довольно просто – он отказался от
звездных галактик и сосредоточился на тех, которые состоят в
основном из водорода, потому что его массу можно вычислить с большой
точностью. Он выбрал 47 таких галактик и построил график с массой
галактик по горизонтальной оси и скоростями их вращения по
вертикальной, а затем наложил на этот график кривую, предсказанную
теорией МОНД. Обе кривых совпали с удивительной точностью.
Конечно, это еще ничего не доказывает. Теория темной материи хорошо
объясняет другие факты, например, реликтовое излучение. К тому же
вспомним, что в свое время выкладки Коперника куда хуже
предсказывали поведение планет, чем насквозь неправильная теория
Птолемея, царствовавшая в науке полторы тысячи лет. Однако это все
равно хороший выпад – Макго напоминает, что связь между массой
галактик и скоростью их вращения с помощью темной материи так пока и
не удалось установить, и он сомневается, что это когда-нибудь
удастся сделать.
Экспериментальные данные, полученные с
использованием Большого адронного коллайдера, до сих пор не показали
никаких признаков частиц-суперпартнеров, предсказанных теорией
суперсимметрии. У физиков появляются сомнения в правоте оригинальной
и красивой теории.
"Мы загнали теорию суперсимметрии в угол", –
говорит Крис Лестер (Chris Lester), физик из Кембриджа. Он работает
с детектором ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), установленном на
коллайдере и предназначенном для поиска бозона Хиггса и
суперсимметричных партнеров известных элементарных частиц. Если
ATLAS и его "коллега", детектор CMS (Compact Muon Solenoid), не
смогут найти никаких суперчастиц до конца года, теорию придется
пересматривать.
Теория суперсимметрии возникла в 1970-х годах как
способ исправить существенные недостатки Стандартной модели физики
высоких энергий. Ключевое значение в теории суперсимметрии играет
открытый "на бумаге" бозон Хиггса, отвечающий за возникновение массы
у элементарных частиц. Но его предсказанная масса сама подвержена
большим флуктуациям, вызванным квантовыми эффектами от других
элементарных частиц. Эти колебания могут увеличить его массу до
такого значения, после которого другие элементарные частицы станут
более массивными, чем они есть на самом деле, что фактически
противоречит Стандартной модели.
В ее рамках теоретики могут исключить влияние
колебаний в своих уравнениях, но только если будут иметь точно
установленную массу бозона Хиггса. Чуть больше или меньше – и теория
рушится. Многих физиков не устраивает Стандартная модель, требующая
такой тонкой настройки.
Теория суперсимметрии предлагает альтернативное
решение проблемы. Теория постулирует, что у фундаментальных частиц
есть более тяжелые суперсимметричные партнеры, многие из которых
неустойчивы и редко взаимодействуют с обычной материей. Квантовые
флуктуации суперсимметричных частиц отлично уравновешивают таковые у
обычных частиц, что возвращает диапазон масс бозона Хиггса к
приемлемым значениям.
Теоретики также обнаружили, что теория
суперсимметрии может решить другие проблемы. Некоторые из самых
легких суперсимметричных частиц могут оказаться темной материей, за
которой астрофизики охотятся с 1930-х годов. Согласно исследованиям
перемещения галактик, невидимая темная материя составляет
приблизительно 83% вещества во Вселенной, хотя некоторые ученые с
этим не согласны.
Теория суперсимметрии может быть использована для
объединения всех взаимодействующих сил во Вселенной, кроме
гравитации – это был бы большой шаг к единой теории поля,
объединяющей и объясняющей всю известную физику.
Пока что коллайдеры не дали подтверждения теории
суперсимметрии. Частицы-суперпартнеры должны оказаться намного
тяжелее обычных частиц. Однако коллайдер TEVATRON в Лаборатории
Ферми в Иллинойсе не доказал существования суперсимметрического
кварка (скварка) в массах до 379 ГэВ. А в настоящее время БАК быстро
накапливает данные при еще более высоких энергиях, сокращая "тяжелую
область" для суперчастиц. Пока БАК удвоил предел массы, достигнутый
на TEVATRON, не дав никаких доказательств существования скварка
вплоть до энергий порядка 700 ГэВ. К концу года он достигнет 1000
ГэВ, что потенциально исключит некоторые вариации теории
суперсимметрии, которым отдавалось наибольшее предпочтение.
Это создает серьезную проблему для теории
суперсимметрии. Поскольку суперчастицы оказываются более тяжелыми,
чем предполагалось, они уже не так хорошо уравновешивают квантовые
колебания. Теоретики все еще могут заставить теорию работать, но
только при определенных значениях масс суперчастиц. Получается, что
нужна та самая "тонкая настройка", для устранения которой теория
была изобретена.
"Многое изменится, если мы не сможем обнаружить
суперсимметрию, – говорит Крис Лестер. – Физикам-теоретикам придется
вернуться к чертежной доске и найти альтернативные пути решения
проблемы Стандартной модели. Но для физики элементарных частиц в
целом это будет очень интересно".
