аксионная тёмная материя

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.

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.

Космологи оказались в парадоксальной ситуации: два мощных наблюдательных инструмента — карта реликтового излучения (древнего света, оставшегося после Большого взрыва) и карта крупномасштабного распределения галактик — рисуют слегка несогласованные портреты одной и той же Вселенной.

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.

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.

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

Чёрная дыра, словно прялка, закручивает вокруг себя облако из лёгких частиц — аксионов. Эти частицы — главные кандидаты на роль тёмной материи. Облако живёт по законам квантовой механики, напоминая огромный атом: есть уровни, есть переходы между ними. Только вместо электрических сил здесь работает гравитация.

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.

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.

Переводчик работает в шумном зале. Гул голосов, звон посуды, обрывки чужих разговоров — кажется, он должен постоянно ошибаться. Но к концу дня его записи идеально совпадают с теми, что он сделал бы в тишине кабинета. Примерно так ведёт себя квантовое правило, которое физики называют аксиальной аномалией.

Позднюю Вселенную удобно представить как толпу, расходящуюся после концерта. В стандартной космологической модели ΛCDM люди идут молча, не мешая друг другу. Но что если тысячи зрителей начинают легонько подталкивать соседей?

Нейтронная звезда — это гравитационная линза, в которой сфокусированы наши попытки разглядеть тёмную материю. Сквозь её сверхплотное вещество, словно через экзотическое стекло, мы ищем аксион — неуловимую частицу, способную объяснить скрытую массу Вселенной.

Вселенная не просто расширяется — она звучит. После Большого взрыва в её ткани остались натянутые струны — тонкие, как протон, но тяжёлые, словно горный хребет. Их колебания рождают гравитационные волны, и в этом излучении, как в нотной записи, зашифрована история фундаментальных симметрий.

Маяк вращается в густом тумане. Его луч пробивает мглу, но сам туман остаётся невидимым. Примерно так астрономы ищут тёмную материю: она не излучает свет, однако способна влиять на сигналы, которые до нас доходят.

Чёрная дыра похожа на водоворот в океане: всё, что попадает внутрь, исчезает навсегда. Но если водоворот крутится и слегка наэлектризован, а вокруг него носятся невидимые частицы аксионы (кандидаты на роль тёмной материи), его поверхность перестаёт быть гладкой.

Камень, брошенный в воду, оставляет круги. Спутник, летящий вокруг Земли, тоже оставляет след — только не на воде, а в законах физики. Его орбита не застывшая линия: она медленно поворачивается, как стрелка гигантских часов. Часть этого вращения объяснима привычной гравитацией, но появляется всё больше намёков, что в дело вмешивается кто-то ещё — невидимый и вездесущий.

Вселенную заполняет невидимая субстанция — тёмная материя, проявляющая себя лишь гравитационным притяжением.

В ускорителе SuperKEKB сталкивают электроны с позитронами — и среди осколков находят B-мезоны. Эти тяжёлые частицы живут недолго и разваливаются на более лёгкие. Недавно детектор Belle II зафиксировал подозрительно много случаев, когда B-мезон превращается в K-мезон (каон) и что-то невидимое — на 2,7 сигмы больше, чем ожидалось.

В самом начале, спустя мгновения после Большого взрыва, Вселенная была устроена до смешного симметрично: частиц и античастиц — поровну. Но случился перекос, крошечный, как одна лишняя песчинка на килограмм сахара, и весь привычный нам мир — звёзды, планеты, люди — возник из этого избытка. Как именно природа устроила этот перевес, до сих пор загадка.

Отдельный гравитон — квант пространства-времени — невероятно слаб. Для детекторов вроде LIGO, созданных Райнером Вайссом и коллегами, квантовые эффекты подавлены в 10⁻³⁸ раз: это как пытаться услышать, как упавшая в ураган песчинка меняет направление ветра.

Всё началось с крошечного сгустка, который рос быстрее, чем свет успевал его обогнуть. Внутри этого раздувающегося пузыря — нашей будущей Вселенной — царила невообразимая жара. Но одно поле, названное инфлатоном (двигателем раздувания), вело себя как дирижёр: оно управляло и расширением, и тем, как вели себя другие частицы.

Тёмная материя невидима, но её гравитация управляет движением галактик. Из чего она состоит — загадка. Одна из идей: это сверхлёгкие частицы, похожие на аксионы.

Аксионы — гипотетические элементарные частицы, введённые в теорию Роберто Печчеи и Хелен Квинн в 1977 году для разрешения так называемой сильной CP-проблемы в Стандартной модели физики частиц.

Магнит с единственным полюсом — северным, без южного — это не обломок, а отдельная частица. Её называют магнитным монополем (носителем одного магнитного заряда). Рождение таких гостей возможно в ранней Вселенной, когда силы только разделялись. А рядом с ними могло существовать поле аксионов — невидимых и почти невесомых частиц, из которых, вероятно, состоит тёмная материя.

В огромном зале расставлена сотня камертонов. Каждый из них — это пульсар, сверхплотный остаток звезды, который вращается с бешеной скоростью и посылает радиоимпульсы точнее любых часов. Когда через зал проходит низкая звуковая волна, все камертоны начинают чуть-чуть расстраиваться одновременно.

В далёкой галактике, на расстоянии, которое свет преодолевает за 11 миллиардов лет, что-то вспыхнуло. Рентгеновский телескоп Einstein Probe заметил короткий, как укол иглы, всплеск — он длился всего несколько десятков секунд. Но самое интересное началось потом: через несколько дней в обычном, видимом свете объект снова плавно засиял ярче.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была не пустой и тихой, а наполненной горячей плазмой, частицами и магнитными полями. Среди частиц, возможно, были аксионы — лёгкие и почти неуловимые кандидаты на роль тёмной материи.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой квантовый вакуум, где спонтанно рождались и почти сразу аннигилировали пары частиц и античастиц — виртуальных «гостей» из физического ничто.

В ядерных переходах бериллия-8, гелия-4 и углерода-12 физики из коллаборации ATOMKI с 2020 года видят лишние события — будто при распаде возбуждённого ядра иногда рождается что-то ещё, кроме обычных фотонов. Энергия этого «чего-то» всегда одна и та же: около 17 миллионов электрон-вольт.

Свет от звезды HD 163296 проходит сквозь окружающий её газопылевой диск, как луч фонарика сквозь мутную воду. Частицы диска рассеивают свет, и он приобретает особое свойство — поляризацию: волны начинают колебаться в одной плоскости, словно верёвка, которую встряхивают строго вверх-вниз.

В сердце Альп, на глубине около ста метров, расположен Большой адронный коллайдер (LHC) — крупнейший в мире ускоритель заряженных частиц. Время от времени его детекторы фиксируют внезапные, необъяснимые всплески сигналов, которые исследователи окрестили UFO (Unidentified Falling Objects — неопознанные падающие объекты).

В центре нейтронной звезды вещество сжато так сильно, что протоны и нейтроны превращаются в более тяжёлые частицы — гипероны. Эти частицы похожи на нейтроны, но содержат странный кварк. Долгое время физики не могли понять, как звезда с гиперонами внутри может быть такой тяжёлой, как показывают наблюдения.

В младенчестве Вселенная представляла собой горячую плазму — смесь элементарных частиц. Спустя микросекунды после Большого взрыва, в процессе остывания, температура испытывала небольшие колебания.

Тёмная материя — загадочная субстанция, которая в пять раз массивнее обычного вещества, но не испускает и не поглощает электромагнитное излучение. Её природа остаётся одной из главных нерешённых задач физики.

Сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик возникли так быстро после Большого взрыва, что астрономы ломают голову. Разгадка — в дрожании невидимого поля аксионов. Аксионы — это гипотетические частицы, почти не взаимодействующие с веществом, легчайшие, словно космический студень.

Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной, проявляющий себя лишь через гравитацию. Вера Рубин, изучая вращение галактик, обнаружила, что звёзды на периферии движутся слишком быстро — так, словно их удерживает незримая масса.

Ежедневно в земную атмосферу вторгаются частицы с колоссальной энергией — словно анонимные послания. Их источник долгое время оставался загадкой.

Радиометр ARCADE2 на высотном аэростате зафиксировал избыточное радиоизлучение, а наземный эксперимент EDGES — аномально глубокий провал в спектре водорода на 21 см. Оба сигнала не вписываются в стандартную космологическую модель и указывают на неизвестный источник мягких фотонов.

Спектр космических электронов — это как отпечатки пальцев на месте преступления. Частицы, прилетающие из глубин Галактики, несут в своих энергиях следы тех, кто их породил. Долгое время картина была смазанной: приборы с широкими энергетическими бинами, словно размытые фотографии, не давали рассмотреть детали.