аксион

Представьте радиоприёмник, у которого одна ручка настройки двигает сразу все внутренние катушки, как единый организм. Именно так устроен новый инструмент для поиска аксиона — частицы, которая, возможно, заполняет галактики невидимой массой. В медном цилиндре высотой с банку из-под кофе спрятаны стержни из оксида алюминия.

Оркестр играет, хотя дирижёра никто не видит. Музыканты — заряженные частицы в магнитосфере пульсара, а партитура — электрические и магнитные поля, рождённые вращением сверхплотной звезды. Но в этой партитуре есть правки, внесённые невидимой рукой: аксионной гривой, облаком гипотетических частиц, которое окутывает нейтронную звезду.

Оркестр играет, хотя дирижёра никто не видит. Музыканты — заряженные частицы в магнитосфере пульсара, а партитура — электрические и магнитные поля, рождённые вращением сверхплотной звезды. Но в этой партитуре есть правки, внесённые невидимой рукой: аксионной гривой, облаком гипотетических частиц, которое окутывает нейтронную звезду.

В подвале лаборатории гудит магнит на 8 тесла. Внутри него, как колокол в колокольне, висит полый медный цилиндр, настроенный на одну-единственную ноту. Если где-то рядом пролетит аксион, частица тёмной материи, цилиндр отзовётся слабым звоном. Беда в том, что обычная медь глушит этот звон: при высоких частотах ток течёт лишь по тонкой коже металла, и потери растут.

В баке с тремя тоннами жидкого ксенона, спрятанном глубоко под землёй, однажды что-то шевельнулось. Не сам ксенон, а одно из его атомных ядер: оно получило толчок с энергией 248 тысяч электронвольт и отскочило, как бильярдный шар, в который попал невидимый шар.

Нейтрон — частица, которая обычно стабильно «сидит» в ядре атома и не исчезает. Но некоторые теории предполагают, что изредка он может превращаться в своего невидимого двойника — гипотетическую частицу, которую невозможно поймать обычными детекторами.

В недрах Солнца протекают термоядерные реакции, которые могут порождать гипотетические лёгкие частицы — аксионы, почти не взаимодействующие с веществом. Один из таких процессов, если он существует, приводит к появлению аксионов с энергией 5,49 МэВ — это сравнимо с энергией теннисного мяча, летящего со скоростью 100 км/ч.

Представьте огромный стадион, заполненный людьми в чёрном. Вы стоите снаружи и пытаетесь понять, что там внутри, хотя не видите ни одного человека. Но если двое столкнутся и обменяются яркими футболками — вы заметите вспышку цвета. Именно так астрономы ищут тёмную материю — гипотетическую форму материи, которая не излучает и не поглощает свет, но проявляет себя через гравитацию.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная напоминала кипящий котёл — сверхплотную, горячую плазму элементарных частиц. Согласно одной из гипотез, именно в этой среде могла родиться тёмная материя — невидимое вещество, которое своим гравитационным притяжением удерживает галактики от развала.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная напоминала кипящий котёл — сверхплотную, горячую плазму элементарных частиц. Согласно одной из гипотез, именно в этой среде могла родиться тёмная материя — невидимое вещество, которое своим гравитационным притяжением удерживает галактики от развала.

Квантовый мир напоминает кухню, где из «ничего» вдруг появляются частицы. Но для этого нужен повар — классическое поле, которое действует как внешний источник. Теорема Глаубера, давно известная в оптике, теперь обобщена: она показывает, как именно поле «готовит» частицы, будь то фотоны или гравитоны.

Ранняя Вселенная напоминает кипящий котёл, где частицы и античастицы рождаются и аннигилируют в равных долях. Но сегодня вокруг нас только материя — звёзды, планеты, мы сами. Как крошечный перевес в одну миллиардную долю возник из первоначального равенства? Один из ответов прячется в колебаниях тяжёлого поля, похожего на скалу, которую прилив то заливает, то обнажает.

Красный гигант в шаровом скоплении — это звезда на поздней стадии эволюции, своего рода «звезда на пенсии». Она исчерпала водород в ядре и теперь поддерживает горение в тонком слое вокруг гелиевого ядра.

Лишний электрон в молекуле похож на пассажира, который едва держится на подножке уходящего поезда. Такой «пассажир» превращает частицу в анион — отрицательно заряженный ион. Изучать его трудно: связь слабая, электронное облако размыто, и любой толчок может сорвать электрон прочь.

Ранняя Вселенная напоминает кипящий котёл, где частицы и античастицы рождаются и аннигилируют в равных долях. Но сегодня вокруг нас только материя — звёзды, планеты, мы сами. Как крошечный перевес в одну миллиардную долю возник из первоначального равенства? Один из ответов прячется в колебаниях тяжёлого поля, похожего на скалу, которую прилив то заливает, то обнажает.

В антарктическом льду спрятан детектор размером с кубический километр. Он ловит не свет, а призрачные частицы — нейтрино, которые почти не взаимодействуют с веществом. Но иногда в нём может мелькнуть совсем другой зверь: пара мюонов, которые рождаются вместе и разлетаются широким веером. Такой узор не нарисовать ни одной известной частицей из обычной материи.

Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной. Её существование выводится из гравитационного влияния на движение звёзд и галактик, но состав этого каркаса остаётся загадкой. Одна из гипотез — сверхлёгкие частицы, напоминающие аксионы. Они почти не взаимодействуют с обычным веществом, однако в редких случаях могут проявлять себя.

В раскалённой плазме солнечных недр рождаются частицы, которые почти не взаимодействуют с веществом. Одна из гипотез предполагает, что это аксионоподобные частицы — лёгкие и неуловимые. Обычно их появление объясняют эффектом Примакова: фотон в электрическом поле ядра превращается в аксион. Но есть и другой путь.

В галактике NGC 1052 DF2 звёзды движутся со скоростью всего 8 километров в секунду — будто никакой невидимой массы вокруг нет. Для сравнения: в нашем Млечном Пути окраинные светила разгоняются до 200 километров в секунду, удерживаемые массивным гало тёмной материи.

В 123 парсеках от Земли, в созвездии Южной Короны, плывёт нейтронная звезда RX J1856.5-3754. Её поперечник — около 12 километров, меньше кольцевой автодороги вокруг Москвы, но температура поверхности достигает 460 000 кельвинов. Звезда делает медленный, почти неслышный выдох.

В первые доли секунды после Большого взрыва Вселенная пережила инфляцию — чудовищно быстрое раздувание, разгладившее все неровности. Но среди этой космической глади могла затеряться одна «неправильная» нота — квантовые колебания поля аксионов.

Глубоко под землёй, в тишине криостата (охлаждаемого контейнера), лежат кристаллы из свинца, который когда-то был частью древнеримского корабля. Этот материал почти не фонит — за две тысячи лет нестабильные изотопы в нём распались, и теперь он идеально чист для охоты на редчайшие события.

Маяк в открытом море не только вращается — его лампа сама по себе то тускнеет, то разгорается. Примерно так ведут себя магнитные белые карлики, сверхплотные остатки звёзд вроде нашего Солнца. Их мощные магнитные поля способны превращать свет в аксионы — гипотетические частицы, которые могли бы объяснить скрытую массу Вселенной.

Бильярдный шар щёлкает о другой в полной темноте. Звук удара и стук упавших в лузу шаров — вот и всё, что слышно. Примерно так физики изучают взаимодействия элементарных частиц при энергиях, которые ни один земной ускоритель не способен воспроизвести. В новой работе астрофизики превратили целые галактики в гигантские лаборатории, а детекторами стали кубические километры антарктического льда и воды Средиземного моря.

Свет далёких квазаров, прорываясь сквозь миллиарды лет, оставляет на космической киноплёнке узор тёмных линий поглощения — спектроскопический лес Лайман-альфа. Каждая линия — словно нота в грандиозной партитуре, записанной водородом межгалактической среды.

Представьте зеленый луч, который, проходя через хитроумную оптическую схему, скручивается в трёхмерную воронку света — оптический вихрь. В его сердце, словно в глазу урагана, интенсивность падает до нуля. Именно там фотоны исчезают.

Вселенная звучит тишиной. Львиная доля материи — около 85% — остаётся невидимой, проявляясь лишь через гравитацию. Ещё Вера Рубин показала, что галактики вращаются так, будто их окутывает незримая масса.

Мир вокруг нас трёхмерен — но, возможно, это лишь видимость. Некоторые теории допускают, что пространство содержит дополнительные измерения, свёрнутые или растянутые особым образом. Одна из таких моделей рисует пятимерную Вселенную с «разбавленным» измерением (его называют линейным дилатоном).

С тех пор как Сол Перлмуттер и его коллеги открыли ускоренное расширение Вселенной, физики ломают голову над природой тёмной энергии.

Невидимая рука тёмной материи сжимает галактики в объятия гравитации, но её природа ускользает уже почти век. Ещё Фриц Цвикки заподозрил скрытую массу в скоплениях, а Вера Рубин показала, что звёзды на окраинах кружатся слишком быстро — словно их подгоняет невидимый дирижёр.

В тесной двойной системе горячая звезда, словно прожектор, освещает своего более холодного спутника. Часть света рассеивается на свободных электронах в его атмосфере — это томсоновское рассеяние — и приобретает линейную поляризацию. По мере того как звёзды движутся по орбите, эта поляризация разворачивается, подобно стрелке причудливого космического метронома.

В тесной двойной системе горячая звезда, словно прожектор, освещает своего более холодного спутника. Часть света рассеивается на свободных электронах в его атмосфере — это томсоновское рассеяние — и приобретает линейную поляризацию. По мере того как звёзды движутся по орбите, эта поляризация разворачивается, подобно стрелке причудливого космического метронома.

Тёмная материя остаётся одной из величайших загадок современной физики. Ещё Вера Рубин, наблюдая вращение галактик, доказала, что видимого вещества недостаточно, чтобы удержать звёзды от разлёта.

В кромешной тьме вакуумной камеры парит крошечный магнит. Он не касается стенок и почти не теряет энергию — идеальный страж, готовый уловить слабейший толчок. Именно такой страж нужен для охоты на аксионы. Эти частицы — главные подозреваемые в деле о скрытой массе Вселенной, которую мы называем тёмной материей.

Большой подземный бак с жидким ксеноном ждёт редкого события — толчка от частицы тёмной материи. Обычно гравитация слишком слаба, чтобы такой толчок заметить. Но если у пространства есть скрытые измерения, всё меняется: на крошечных расстояниях гравитация резко усиливается, и шанс засечь неуловимую частицу растёт.

Вселенная похожа на огромный склад, где когда-то давно провели строгую инвентаризацию. Реликтовое излучение — это древняя опись всего, что было в наличии спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва. Согласно ей, доля материи в общем «бюджете» космоса (параметр Омега_m) известна с высокой точностью.

В ранней Вселенной могли рождаться крошечные чёрные дыры — с гору массой, но размером с атомное ядро. Сегодня они способны служить фабриками тёмной материи. Механизмов два: привычное испарение (излучение Хокинга) и менее известное сверхизлучение.

Вселенная пронизана невидимой массой — тёмной материей, существование которой впервые предположил Фриц Цвикки в 1930-х годах, наблюдая за движением галактик в скоплениях.

Идеально отлаженный оркестр, где каждый инструмент настроен с безупречной точностью, пытается играть в шумном зале. Этот шум — квантовая гравитация, рябь пространства-времени на микроуровне. Она постоянно норовит сбить музыкантов. Аксионы, частицы-кандидаты на роль тёмной материи, и есть та самая музыка.

Море, пронизывающее всё пространство, остаётся невидимым для нас. Это море — тёмная материя, а волны на его поверхности — частицы под названием аксионы. Они настолько лёгкие и неуловимые, что проходят сквозь Землю, не замечая её. Но если эти волны ударяются о берег из особого материала, они могут оставить след — крошечный электрический ток.