Как на Большом адронном коллайдере ищут тёмную материю

Тёмная материя – вещь более неуловимая, чем утерянные ключи от машины, и более загадочная, чем горящий на приборной панели автомобиля значок. Она, вероятно, существует, и если да – из неё состоит большая часть материи Вселенной. Она может состоять из частиц, и если да, и если учёным повезёт – то Большой адронный коллайдер (БАК) сможет создать некоторые из них. В любом случае, в экспериментах, проводимых на БАК, можно искать и такие частицы (хотя, возможно, легче будет найти ключи от машины).

В этой статье я попробую ответить на очевидные вопросы по поводу того, как учёные с БАК могут наблюдать эффекты, оказываемые новой необнаружимой частицей, и как они могут получить доказательства того, что эта частица и правда принадлежит к тёмной материи.

Детектив: Вы хотите обратить моё внимание ещё на что-нибудь?
Шерлок Холмс: На странное ночное происшествие с собакой.
Детектив: Но собака ночью ничего не сделала.
Шерлок Холмс: Это и было странно.

— А. К. Дойл

Как эксперименты на БАК могут обнаружить необнаружимое?

Эксперименты на БАК ATLAS и CMS действительно могут участвовать в поисках тёмной материи. Это не похоже на поиск ключей, поскольку в экспериментах никто не надеется обнаружить тёмную материю напрямую. Но ведь и нейтрино ни один из них не обнаруживает напрямую!

Нейтрино, много раз в секунду создаваемые в столкновениях протонов на БАК, проходят насквозь через ATLAS и CMS, не задевая ничего и не оставляя следов. Несмотря на это, ATLAS и CMS могут делать вывод, что нейтрино были получены – и такую же технологию они могут использовать и для тёмной материи. Я сейчас объясню её; она довольно проста. А потом я объясню чуть более сложную вещь – как можно отличить тёмную материю от нейтрино.

Примечание: когда я пишу «необнаружимый», я имею в виду «необнаружимый в экспериментах БАК». Нейтрино нельзя обнаружить на БАК, но можно – с большим трудом и малой вероятностью – в совершенно других экспериментах. В таких огромных экспериментах участвуют гигантские ёмкости с водой, и в некоторых случаях им удаётся обнаружить лишь несколько нейтрино в месяц! С тёмной материей всё может обстоять схожим образом; на это рассчитано множество экспериментов.

Основной принцип – закон сохранения импульса. Его легко проиллюстрировать, особенно, если вы достаточно неуклюжи. Возьмите стакан воды, и резко вылейте её прямо вниз, на пол в душевой. В результате появятся брызги. На рис. 1 показано, как вода разлетается во всех направлениях и образует приблизительно круглый рисунок на полу. Важно, что это происходит во всех направлениях. Вы никогда не увидите, чтобы вода брызнула только влево, а не вправо. Это происходит в результате сохранения импульса.


Рис. 1: последствия сохранения импульса. а) вода брызгает во всех направлениях. б) салют взрывается во все стороны. в) Самолёт летит вперёд, поскольку его турбины гонят воздух назад. г) при выстреле из пистолета пуля летит вперёд, а пистолет отбрасывает отдача. д) выброс вниз двигает ракету вверх.

Можно придумать множество примеров, в которых главную роль играет закон сохранения импульса. Детали могут различаться, но основной принцип остаётся тем же самым.




Рис. 2

На рис. 2 изображён эксперимент, который вы можете повторить сами. Надуйте шарик, направьте его горлышко к себе и отпустите. Шарик улетит от вас. Почему? Потому, что воздух из шарика устремляется по направлению к вам – его даже можно почувствовать. Но ваш друг, наблюдающий за этим с другого конца комнаты, не чувствует выходящий воздух и не видит его. Но если ему известен закон сохранения импульса, он может предположить, что воздух должен выходит из шарика по направлению к вам – это единственная причина, по которой находившийся неподвижно шар начинает двигаться в сторону от вас, когда вы его отпускаете. Возможность предполагать о наличии чего-либо, что вы не видите, или обнаруживать это каким-либо способом – вот ключевая идея эксперимента.

Столкновение двух протонов на БАК похоже на брызги воды в вашем душе, только вертикальная ось повёрнута до горизонтальной. Столкновение происходит в лобовую, на одной оси – назовём её «направлением луча», она идёт справа налево на рис. 3. Назовём два других направления, сверху вниз и перпендикулярное изображению – поперечными, или перпендикулярными направлению луча.


Рис. 3

После столкновения появляются и разлетаются десятки частиц (других адронов, созданных благодаря энергии столкновения), и в основном они летят по направлению луча. Нам они не сильно интересны – их тяжело измерить, и на интересующие сегодня физиков вопросы они не ответят. Также появляются частицы с очень малым импульсом, которые нам тоже не важны.

Но иногда некоторые частицы улетают в поперечных направлениях и переносят большой импульс – мы говорим об их большом «поперечном импульсе». Но закон сохранения импульса говорит о том, что поскольку у начальных протонов не было поперечного импульса, итоговый поперечный импульс всех частиц должен быть сбалансирован. Если одна частица уйдёт вверх, должны быть одна или несколько других, идущих вниз. Если частица летит по направлению к вам, должны быть и те, что летят от вас.

Классический пример столкновения изображён на рис. 4. Столкновение протонов случается в центре детектора ATLAS, обнаружившего и измерившего следы частиц, появившихся в результате столкновения. Затем эти следы были нарисованы на компьютере, чтобы учёные видели, куда они ушли. Большинство частиц разлетелись влево и вправо, и они тут не показаны. Голубые следы обозначают траектории частиц с очень малым импульсом. Но два жёлтых следа, оканчивающиеся жёлтыми пятнами, обозначают частицы с большими энергиями и импульсами. Одна из них – электрон, летящий вверх. И ещё до того, как мы приступим к другой частице, мы уже знаем, из закона сохранения, что вниз должна улететь хотя бы одна частица с большим поперечным импульсом. И вот она – жёлтый след внизу, оказавшийся антиэлектроном, или позитроном.


Рис. 4

Но на рис. 5 можно увидеть ещё одно столкновение – из эксперимента CMS. В нём вверх улетает электрон, как и на рис. 4. Но ни одной частицы с крупным поперечным импульсом не летит вниз. Что происходит?


Рис. 5

Скорее всего, вниз летела частица, но эксперимент не смог её обнаружить. Поскольку учёным известно, что:
• На CMS нельзя обнаружить нейтрино и антинейтрино,
• Электроны и антинейтрино часто образуются вместе в результате распада W-частицы,

Естественно будет предположить, что здесь именно это и происходит: вверх летит обнаруженный CMS электрон, вниз летит антинейтрино, который CMS не смог обнаружить.

Конечно, возникает вопрос, а может ли импульс не сохраняться. Это очень маловероятно – достаточно взглянуть на широкий набор экспериментов, проводимых несколько десятилетий, включая и те, что были проведены на ATLAS и CMS, и станет видно, что всё говорит в пользу сохранения импульса.

Пока что всё было схематично и на качественном уровне, но важно понять, что физики могут делать точные количественные заявления о сохранении импульса. К примеру: если известно, что импульс в поперечных направлениях изначально нулевой до столкновения, то можно взять все моменты с поперечных направлений, сложить их как вектора, и ожидать, что их сумма окажется нулевой.

В столкновении протонов их импульс в поперечных направлениях нулевой. После столкновения в ATLAS эксперимент измеряет все обнаруживаемые частицы. Некоторые частицы идут по направлению луча, и их не измеряют – но у них и нет поперечного импульса. У некоторых поперечный импульс пренебрежимо мал. Но у некоторых он может оказаться большим. Если мы сложим поперечные импульсы, и их сумма будет близка к нулю (никакое измерение не будет идеальным), мы можем заключить, что ATLAS успешно обнаружил все частицы. Но если сумма далека от нуля, можно заключить, что ATLAS не смог обнаружить одну или несколько частиц с поперечным импульсом. Это могут быть известные частицы – нейтрино – или же неизвестные, к примеру, тёмная материя.

Теперь вы знаете, что если в экспериментах ATLAS или CMS возникнут частицы тёмной материи, то их нельзя будет обнаружить. Но экспериментаторы смогут предполагать, в случае, когда сумма поперечных импульсов будет ненулевой, что было получено одна или несколько необнаружимых частиц.

Конечно, то же самое происходит, когда в экспериментах создаются нейтрино – а это случается много раз в секунду. Так как же БАК может разобраться, что на нём получили нечто отличное от нейтрино? И как учёные могут понять, что эта новинка – тёмная материя?

Как эксперименты на БАК могут отличить тёмную материю от нейтрино?

В предыдущем разделе я объяснил, как экспериментаторы на ATLAS или CMS могут узнать, что в одном из столкновений протонов появились одна или несколько частиц, прошедших через эксперимент без обнаружения. Но как экспериментаторы могут узнать, нашли ли они нечто новое и удивительное, к примеру, частицы тёмной материи вместо обычных нейтрино, известных нам уже много десятилетий? Почему бы просто не собрать обычных подозреваемых, вместо того, чтобы объявлять, что в городе появился новый преступник?

Проще говоря, нельзя сказать, необнаружимые частицы какого рода появились в данном конкретном эксперименте. Также обычно неизвестно, сколько таких частиц появилось. Вместо этого информация собирается из большого количества столкновений. Конкретно она следует из сравнения полученных данных с предсказаниями уравнений, используемых для описания известных частиц и сил, и называющихся «Стандартной моделью». Я дам вам один пример того, как это работает.

Проще всего представить себе, что в столкновении протонов было создано два нейтрино, или две частицы тёмной материи, или две неких необнаружимых сущности. Предположим (рис. 6), что значимым поперечным импульсом обладают только эти две частицы (вспомним, что в столкновениях обычно рождается множество адронов, но они обычно разлетаются по направлению луча, и их поперечный импульс мал). Тогда мы ничего не увидим! К примеру, одна из этих частиц может уйти вверх, вторая – вниз, с одинаковыми по величине и противоположными по направлению импульсами – точно так, как это было с электроном и позитроном на рис. 4. Но если обе частицы не обнаружены, поперечный момент обнаруженных частиц будет выглядеть сбалансированным, и мы даже не узнаем, что там родились необнаружимые частицы!


Рис. 6

Но не всё потеряно. Обычно в столкновениях протонов при рождении любых частиц с большим поперечным импульсом появляются и случайные высокоэнергетические глюоны. Иногда такой глюон (или несколько глюонов) улетает в поперечном направлении, также получая большой поперечный импульс. Тогда мы увидим нечто вроде изображённого на рис. 7. Такое событие называется «моноджетом» [mono-jet event], и в нём наблюдается джет с большим поперечным импульсом (адронные брызги, созданные глюоном), рикошетящий от «ничего», вероятно, от необнаруженного нейтрино и анти-нейтрино (от распадающейся Z-частицы).

Сравните рис. 6 и рис. 7: теперь у нас есть джет с большим поперечным импульсом, от которого рикошетят две необнаруженные частицы. Поскольку джет мы видим, мы заключаем, что поперечный импульс наблюдаемых частиц не сбалансирован, и были рождены необнаружимые частицы некоего типа.


Рис. 7

На рис. 8 показано то же столкновение, что и на рис. 7, только направление луча на нём перпендикулярно изображению.


Рис. 8

Теперь реальный пример моноджета, наблюдавшегося в эксперименте ATLAS. На рисунке направление луча перпендикулярно изображению.


Рис. 9

Эксперимент ATLAS обладает луковичной структурой и оснащён датчиками нескольких уровнях. Столкновение произошло ровно посередине. В отделе «tracker» указаны траектории частиц, составляющих джет. В отделах «calorimeter» (электромагнитный и адронный) энергия частиц отмечается зелёными и красными пятнами. Обратите внимание – значимых следов или пятен больше нигде нет, из чего следует, что суммарный поперечный импульс явно не равен нулю. У следов, ведущих вверх и влево слишком малый поперечный момент, и они идут слишком близко к направлению луча. Учёные считают, что в этом случае, скорее всего, были получены глюон, нейтрино и антинейтрино. Но на самом деле нельзя быть уверенным в том, какие частицы были получены в этом столкновении.

Стандартная модель позволяет с достаточно хорошей точностью предсказывать, в каком проценте столкновений протонов будет наблюдаться определённая недостача поперечного импульса. Это показано на рис. 10. Верхняя часть голубого участка обозначает предсказание Стандартной модели для частоты, с которой будут появляться нейтрино с хотя бы одним джетом (состоящим из нескольких компонентов, обозначенных разными цветами; голубой цвет – наибольший эффект, возникающий из-за Z-частиц, порождающих пары нейтрино/антинейтрино. Данные отмечены чёрными точками, а погрешности – вертикальными чертами.


Рис. 10. Данные с CMS (чёрные точки) и предсказаний Стандартной модели (цветные участки). По вертикальной оси – количество событий, в которых наблюдается определённая недостача поперечного импульса; по горизонтальной оси – недостающий импульс E_T^miss. Заметьте, как хорошо данные совпадают с предсказаниями. Красная линия – эффект, который оставили бы гравитоны, исчезающие вс дополнительных измерениях – очевидно, не подтверждается. Обратите внимание, что график – логарифмический.

Пунктирная красная линия подтверждалась бы при наличии гравитонов, исчезающих в дополнительных измерениях. Данные очевидно совпадают со Стандартной моделью и исключают наличие гравитонов. Также данные не согласуются (хоть и не так очевидно) с возможным появлением частиц тёмной материи (частиц с определённой массой и силой взаимодействия), обозначенным сплошной синей линией. Если бы такие частицы появлялись, то последние 2-3 точки были бы значительно выше.

В этом примере можно увидеть, как здорово используются уравнения Стандартной модели для предсказания известных частиц. Они позволяют нам определять, как часто мы должны ожидать появления джета, рикошетящего от «ничего», то есть от необнаружимых нейтрино. Это предсказание будет совпадать с данными, если в столкновениях на БАК не будет появляться других типов необнаружимых частиц. И мы ждём, что предсказания не сбудутся, только если на БАК появятся новые типы необнаружимых частиц, и/или на нём будут появляться нейтрино не тем способом, который нам известен – например, в результате распада нового типа нестабильной частицы.

Это общая стратегия экспериментов. У нас есть множество предсказаний, множество измерений, по которым мы проверяем распределение недостающего поперечного импульса в больших группах схожих столкновений. Если мы обнаруживаем, что предсказания не выполняются, значит, происходит нечто, не объяснённое стандартной моделью, то есть, либо появляются неизвестные необнаружимые частицы, либо известные (нейтрино) но не так, как мы ожидаем.

Подобное открытие показало бы, что Стандартная модель явно не описывает всю физику в БАК, и принесло бы множество наград экспериментаторам. Но его интерпретация стала бы чрезвычайно двусмысленной! Даже если бы мы получали частицы тёмной материи, это было бы совершенно неочевидно! Мы бы лишь знали, что в некоем процессе неожиданно часто рождаются необнаружимые частицы. Переход от них к частицам тёмной материи был бы необоснованным логически.

Как же учёные могут различать различные возможности и в конце концов прийти к выводу об обнаружении тёмной материи? Это будет нелегко и может занять много лет, или даже десятилетий.

Ещё два примера

Но сначала позвольте мне привести ещё два примера того, как могла бы проявить себя тёмная материя, или другие необнаружимые частицы. Недавно обнаруженный бозон Хиггса иногда может распадаться на тёмную материю или ещё на что-нибудь необнаружимое. Такие т.н. «невидимые» распады Хиггса в Стандартной модели происходят чрезвычайно редко, так что если бы оказалось, что они происходят часто, это было бы удивительным открытием! И такие распады уже ищут. Невидимый распад Хиггса нельзя наблюдать непосредственно, но Хиггс часто составляют W-частицы, Z-частицы или определённые пары кварков (выдающие специфические джеты относительно близко к лучу – см. рис. 11). А их уже можно наблюдать, как и недостачу поперечного импульса от Хиггса, распадающегося на необнаружимые частицы. Но, как обычно, такой сигнал можно найти и в Стандартной модели – когда Z-частица распадается на нейтрино вместо Хиггса, распадающегося на тёмную материю. Отличить их можно только подсчитав количество столкновений такого типа, и проверив, насколько значительно это количество превышает предсказания Стандартной модели.


Рис. 11. Частица Хиггса (Н) может возникнуть совместно с двумя высокоэнергетическими кварками, каждый из которых порождает высокоэнергетический джет (разлетающиеся адроны). Такие необычные джеты рикошетят от Хиггса, чей распад на необнаружимые частицы может привести к появлению большой недостачи поперечного импульса. Но такой же сигнал может возникнуть, когда в результате столкновения рождается Z-частица, распадающаяся на нейтрино и антинейтрино.

Ещё пример: во многих рассмотренных учёными вариантах физики частиц, включая, но не ограничиваясь, суперсимметрией, уравнения предсказывают наличие новой электрически заряженной частицы, способной распадаться на тёмную материю. В этом случае в результате столкновения протонов нельзя назвать необычным появление электрона (или мюона) и антиэлектрона (или антимюона) и двух частиц тёмной материи, остающихся необнаруженными и дающих недостающий поперечный момент (рис. 12).


Рис. 12

Проблема лишь в том, что такую картину могут оставить и известные частицы. Когда в столкновениях рождается положительно заряженная W-частица и её античастица (отрицательно заряженная W-частица), эти частицы могут распасться на нечто, выглядящее точно так же, как рис. 12, только вместо двух частиц тёмной материи они породят нейтрино и антинейтрино. Единственный способ обнаружить тёмную материю – это вести подсчёты. Если кроме W будут создаваться новые частицы, то количество столкновений этого типа будет больше, чем ожидается. Интересно, что в текущих данных с БАК столкновений как раз больше, чем ожидалось – не настолько больше, чтобы сильно радоваться по этому поводу, но достаточно, чтобы тщательно следить за тем, как БАК набирает большой объём данных.

Это всего три примера из множества. Идей по поводу того, чем может оказаться тёмная материя, ещё больше, чем экспертов по тёмной материи, и в каждом случае наблюдается множество вариантов того, как тёмную материю можно сотворить на БАК. Поэтому экспериментаторы не уверены, как именно искать её в экспериментах – и готовят очень широкую и разнообразную программу поисков, чтобы ничего не упустить.

Даже если на БАК найдут новые необнаружимые частицы, будут ли это на самом деле частицы тёмной материи?

Как эксперименты на БАК могут доказать, что получили тёмную материю? Никак. По крайней мере, сами по себе. Даже если они получат новый тип необнаружимых частиц, им придётся скооперироваться ещё хотя бы с одним экспериментом, способным проверить – получилась ли действительно тёмная материя (вещество, которым богата Вселенная). Простая информация о существовании некоего типа частиц не доказывает, что именно этих частиц во Вселенной больше всего. Она может, как нейтрино, составлять малую часть материи Вселенной. Или вообще никакой – если новые частицы будут нестабильными (как это происходит с большинством частиц), и они будут жить достаточно долго, чтобы вылететь незамеченными за пределы датчиков БАК до того, как распасться, но достаточно мало, чтобы исчезнуть из Вселенной вскоре после Большого взрыва.

Короче говоря: даже если на БАК обнаружат новый класс частиц, не определяемых датчиками, экспериментаторы никак не смогут определить, сколько этих частиц находится сегодня во Вселенной. БАК для этого не предназначен.

Что же делать? БАК можно использовать, чтобы определить некоторые свойства новых частиц, и высказать определённые предположения. К примеру, в предыдущем разделе я дал три примера того, как можно открыть необнаружимые частицы. В каждом случае частицы получались определённым способом. К примеру, если порождались только эти частицы, то после столкновения получался единственный джет (рис. 8). Если частицы рождались из распада Хиггса, при этом получались два высокоэнергетических джета от двух определённых кварков (рис. 11). Если они порождались при распаде новой заряженной частицы (рис. 12), то это происходило при наличии заряженного лептона и заряженного антилептона (заряженный лептон – это электрон, мюон или тау). Так что, наблюдая за тем, что сопровождает новые частицы, и углубляясь в детали недостающих поперечных импульсов, учёные в принципе могут создавать гипотезы по поводу природы этих новых частиц. Их можно выразить через уравнения, которые можно использовать для составления предсказаний.

И вот мы уже почти у цели. Если у вас есть гипотеза по поводу того, что собой представляет новая частица, можно спросить себя – а как бы повела себя тёмная материя, если бы она состояла из частиц этого типа?

К примеру, можно было бы спросить, как редко такие частицы реагировали бы с обычной материей? Какой объём энергии оставался бы после взаимодействий? Зная, сколько во Вселенной тёмной материи, можно предсказать, как часто подземные эксперименты, вроде LUX, XENON100, CDMS и т.п. получали бы сигналы такого типа тёмной материи. Возможно, это количество так велико, что гипотеза уже опровергнута? Или же настолько мало, что таких сигналов пока ещё не получили, но достаточно велико, чтобы получить их в обозримом будущем?

Другой вопрос: что случится, если эти частицы тёмной материи встретятся где-нибудь в центре нашей Галактики или в центрах близлежащих карликовых галактик? Могут ли они аннигилировать и произвести на свет видимые частицы, такие, как электроны, антиэлектроны, антипротоны, фотоны (возможно, в виде гамма-излучения или рентгеновских лучей)? И можно задаться вопросом, не обнаружили ли уже эти частицы такие спутники и телескопы, как PAMELA, FERMI-LAT, AMS и др., или же не обнаружат ли они их в скором времени?

Только если и когда мы получим достаточно информации от БАК (или коллайдеров будущего) для формулирования чётких гипотез по поводу того, как могут вести себя новые частицы, и получить точные предсказания того, что можно ожидать от новых экспериментов, и только когда новые эксперименты подтвердят хотя бы одно из этих предсказаний, можно будет серьёзно говорить о том, что на БАК была обнаружена тёмная материя.

Может ли это случиться, может ли это произойти скоро? Конечно. Но, как вы видите, для этого нам должно повезти несколько раз подряд, так что, хотя тут нет ничего невозможного, не стоит ожидать этого очень скоро. Скорее всего, это займёт довольно долгое время, возможно, десятилетия. А если тёмная материя состоит из частиц, которые нельзя создать на БАК, или вообще не состоит из частиц, или её вообще нет – ну, этого нам БАК не скажет. Он просто будет молчать по этому поводу. Так что мы не теряем надежды, учёные ищут, но стоит практиковать и другие подходы к решению великих загадок Вселенной.