поиски частиц за пределами Стандартной модели

Сверхчувствительные весы пытаются уловить разницу между двумя почти одинаковыми песчинками. Одна из них — идеальное отражение другой, как в зеркале. В мире элементарных частиц такое зеркальное отражение называют P-чётностью — фундаментальной симметрией, которая, как выяснилось, нарушается в слабых взаимодействиях.

Тёмная материя остаётся неслышимым басовым фоном космической симфонии — она не излучает свет, но её гравитационное тяготение формирует галактики. Вера Рубин впервые уловила этот ритм в 1970-х, наблюдая вращение звёзд.

В конце 1990-х звёздное небо преподнесло сюрприз: Сол Перлмуттер и Адам Рисс обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. С тех пор главной загадкой остаётся тёмная энергия — субстанция, составляющая почти 70% космоса, но ускользающая от лабораторного изучения.

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.

Всё началось не с пустоты, а с кипящего океана плазмы. В этом первозданном бульоне звуковые волны бежали сквозь огненную материю, сталкивались и уплотняли её. Иногда сгусток становился настолько плотным, что свет уже не мог вырваться — и прямо из раскалённого газа рождалась первичная чёрная дыра.

В кухонном шкафу стоит банка с сахаром. Если её встряхнуть, крупинки распределятся почти равномерно — не нужно выкладывать каждую пинцетом. Примерно так же могли появиться крошечные чёрные дыры в первые мгновения после Большого взрыва. Их масса — как у астероида, размер — меньше атома.

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

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная вела себя подобно туго надутому шару: высокое давление препятствовало локальному сжатию материи в сгустки. Однако гипотетические сверхтяжёлые частицы — своего рода «тяжеловесы» микромира — могли на короткое время уменьшить эту упругость.

В 2016–2018 годах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе протоны сталкивались с энергией 13 тераэлектронвольт — как если бы две горошины разгоняли до скоростей, при которых их удар рождает целый рой новых частиц.

На кухне два луча фонариков проходят сквозь друг друга, не замечая один другого. Свет со светом почти не взаимодействует. Но если разогнать частицы до огромных энергий, два фотона могут столкнуться и родить нечто новое.

На Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются почти со скоростью света. Иногда они не разбиваются, а обмениваются фотонами — частицами света. Эти фотоны могут породить пару: одну частицу, которую детектор видит, и другую, которая улетает незамеченной.

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.

Пуля, которая пробивает не одну мишень, а оставляет след сразу в нескольких слоях брони. Примерно так ведёт себя сверхтяжёлая тёмная материя, которую впервые искали в детекторе DarkSide-50. Обычные кандидаты в тёмную материю — слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) — проходят сквозь вещество почти незаметно, изредка сталкиваясь с ядрами.

Металлический резонатор, охлаждённый почти до абсолютного нуля, вслушивается в радиошум Вселенной. Среди хаоса тепловых колебаний и электроники мог бы проявиться слабый пик — след аксиона, частицы, которая, возможно, составляет тёмную материю.

Тёмная материя — как невидимый клей, который держит галактики вместе. Она не испускает свет, но если её частицы сталкиваются, может вспыхнуть гамма-излучение. Учёные искали такие вспышки в карликовых галактиках — маленьких звёздных скоплениях, где тёмной материи очень много, а обычной почти нет.

В детекторе BESIII частицы разыгрывают спектакль: сталкиваются, рождаются и распадаются, оставляя вспышки света. Но иногда актёр может уйти со сцены незаметно — через потайную дверь, которую не видят камеры. Физики искали именно такие «тихие» распады, когда частица превращается в нечто невидимое для приборов.

Камешек падает в пруд, и по воде расходятся круги. Но иногда камешек не сразу уходит на дно: он скользит под поверхностью, проплывает несколько метров и лишь потом всплывает, порождая круги в неожиданном месте. Так физики ищут долгоживущие частицы: они рождаются в столкновении протонов, летят сквозь детектор незамеченными, а затем распадаются на обычные частицы вдали от точки рождения.

Две чёрные дыры кружатся друг вокруг друга, и их танец не всегда похож на ровный вальс. Если дыры крутятся вокруг своей оси, то их орбита может начать кувыркаться — как волчок, который подтолкнули, и он заваливается набок, продолжая кружиться.

Представьте звезду, которая словно танцует вальс с невидимым партнёром: её ритмичные колебания, вызванные гравитацией спутника, регистрируются приборами, но сам партнёр ускользает от наблюдения. Обычно такие колебания — результат доплеровского сдвига (изменения частоты света из-за движения звезды), который выдаёт присутствие планеты.

Вселенная заполнена невидимой массой — тёмной материей, которая проявляет себя только через гравитацию. Одна из гипотез предполагает, что тёмная материя состоит из первичных чёрных дыр — объектов, образовавшихся в экстремальных условиях сразу после Большого взрыва. Эти чёрные дыры могут иметь массу, сравнимую с астероидом, и размер меньше атомного ядра.

Вселенная после Большого взрыва была почти идеально однородной. Почти — потому что крошечные неоднородности плотности, растянутые инфляцией, стали зародышами галактик. Но что, если эти же неоднородности могли рождать не только звёзды, но и чёрные дыры?

Кремниевая сфера диаметром 166 нанометров парит в луче инфракрасного лазера. Давление ниже 10⁻⁸ мбар, температура движения — около 10 милликельвинов. Это холоднее реликтового излучения. Сфера — микроскопический сейсмограф, улавливающий квантовые толчки невидимых частиц. Каждый удар частицы тёмной материи передаёт сфере импульс. Сфера вздрагивает.