диапазон масс

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.

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.

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

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.

История началась с недоумения: в 1930-х Фриц Цвикки заметил, что скопления галактик ведут себя так, будто в них спрятана огромная невидимая масса. Через полвека Вера Рубин подтвердила — звёзды на окраинах галактик вращаются слишком быстро, чтобы их удерживала лишь видимая материя.

Тёмная материя — невидимая субстанция, проявляющая себя лишь через гравитационное воздействие: она искривляет свет далёких галактик, подобно незримому окну, меняющему ход лучей.

В тёмной комнате на лазерном луче висит стеклянная бусина размером с пылинку. Под ней — два зеркала: алюминиевое и серебряное. Если где-то рядом проносятся аксионы — лёгкие частицы-невидимки, которые могли бы составить таинственную тёмную материю, — они обмениваются ими с атомами зеркал, и бусина чуть-чуть смещается.

Лупа собирает солнечный свет в яркую точку. Если на стекле есть крошечный дефект, световое пятно исказится. Примерно так работает гравитационное линзирование: массивная галактика изгибает лучи света от более далёкого источника, создавая увеличенное и порой искажённое изображение.

Тёмная материя — невидимая субстанция, чья гравитация удерживает галактики от разлёта, — до сих пор ускользает от прямого наблюдения. Одна из гипотез предполагает, что она состоит из аксионов — гипотетических очень лёгких частиц, предсказанных теорией.

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

Обычные детекторы тёмной материи похожи на футбольного вратаря, который ждёт мощного удара, а мяч еле катится. Частицы-невидимки, заполняющие нашу Галактику, часто движутся слишком медленно, чтобы их заметили чувствительные датчики.

В шумном городе пытаются услышать сверчка. Он тихий, а вокруг гудят машины. Чтобы поймать его стрекот, ставят чуткий микрофон и давят на кнопку шумоподавления. Примерно так же физики охотятся за аксионами — гипотетическими частицами, которые могут быть той самой тёмной материей, что скрепляет галактики.

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.

В первые сотни миллионов лет после Большого взрыва космос напоминал шумный подростковый клуб: галактики вспыхивали, сталкивались, рождали звезды сотнями. Но среди этой суеты телескоп Джеймса Уэбба разглядел нечто странное — целые районы тихих «пенсионеров». Это массивные галактики, которые уже перестали рождать звезды, хотя по всем расчетам должны были еще бурлить.

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.

Каон — частица-долгожитель по меркам микромира: живёт миллиардные доли секунды, прежде чем развалиться на более лёгкие частицы. В эксперименте KOTO в Японии ловят самые редкие варианты такого распада. Один из них — когда каон превращается в два нейтральных пиона и ещё одну частицу X, которая тут же распадается на два фотона (частицы света).

Космические лучи — это не свет, а заряженные частицы, которые со всех сторон бомбардируют Землю. Большинство из них — протоны (ядра водорода), но попадаются и ядра потяжелее: гелия, азота, железа.

Чёрные дыры — не безмолвные провалы в ткани мироздания, а природные камертоны, чьё стремительное вращение, предсказанное Роджером Пенроузом в рамках механизма Пенроуза, заставляет вибрировать само пространство-время.

В глубине канадской шахты стоит бочка с 3269 килограммами жидкого аргона — прозрачной жидкости, похожей на очень холодную воду. Эта бочка — детектор DEAP-3600, и её задача — поймать частицы тёмной материи, которые, как считается, пронизывают Вселенную, но почти не взаимодействуют с обычным веществом.

В глубоком холоде, при температуре всего два градуса выше абсолютного нуля, медная полость размером с кастрюлю слушает тишину Вселенной. Эта полость — сердце прототипа детектора Supax, созданного для поиска аксионов: частиц, которые никто никогда не видел, но которые могут составлять невидимую тёмную материю, удерживающую галактики вместе.

В глубине итальянских Апеннин, под толщей горной породы, стоит кристалл, который ловит каждый распад радиоактивного америция. Америций испускает гамма-лучи с энергией 59,5 килоэлектронвольт — как очень резкий звонок, который звучит всегда одинаково.

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.

В тёмной комнате детектора аргон ждёт. Когда сквозь него пролетает невидимая частица — например, кандидат в тёмную материю, — она слегка толкает ядро аргона. Ядро срывается с места, а вокруг него рождаются заряды. Сколько именно зарядов — вопрос не праздный: по их числу физики судят, что за гость приходил.

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

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.

Кастрюля на плите звенит, когда вода в ней закипает. Пустая медная чашка тоже может «звенеть» — на частоте радиоволн, если внутри неё рождается частица тёмной материи. Такие частицы называют аксионами, и они, по одной из гипотез, заполняют всю галактику невидимым облаком.

Электрон — крошечная частица, но в кристалле она ведёт себя так, будто у неё другая масса. Это называют эффективной массой. Чтобы её измерить, физики заставляют электроны бегать по кругу в магнитном поле — как конькобежца на катке, которому не дают уйти с орбиты.

Тёмная материя не светится и не отражает свет, но её притяжение удерживает галактики от разлёта. Из чего она состоит — загадка. Один из главных кандидатов — аксионы, сверхлёгкие частицы. Их поиск похож на прослушивание очень тихого радиосигнала, но мешает собственный шум приёмника.

Космические лучи — это непрерывный ливень заряженных частиц, обрушивающийся на Землю со всех направлений. Представьте: стоит подуть ветру, и капли дождя меняют траекторию. Так и солнечная буря — облако намагниченной плазмы, выброшенное Солнцем, — искривляет пути этих частиц, обычно равномерно осаждающих нашу планету.

В лаборатории DESY запущен эксперимент ALPS II, нацеленный на обнаружение аксионов — гипотетических частиц-призраков, почти не взаимодействующих с веществом, из которых может состоять тёмная материя. Эта невидимая масса выполняет роль гравитационного каркаса, удерживающего галактики от разлёта под действием центробежных сил при вращении.

Быстрые радиовсплески — это яркие космические вспышки, которые, подобно стартовому сигналу, запускают гонку радиоволн через Вселенную. Астрономы использовали их как естественную лабораторию, чтобы проверить, обладает ли массой фотон — квант света, частица-переносчик электромагнитного взаимодействия.

Сто лет назад магнитные обсерватории записывали лишь медленные дыхания земного ядра. Сегодня их данные превращаются в охотничьи угодья для физики частиц. В обсерватории Эскдалемюр на севере Англии каждую сотую долю секунды фиксируются колебания магнитного поля. Десять лет таких записей — 9909 восьмичасовых сегментов — стали ловушкой для призрака: тёмного фотона.

В глубине криостата, под слоями сверхпроводящих катушек, лежит стопка из сотен полупроводниковых слоёв. Каждый слой толщиной в несколько нанометров: арсенид галлия, затем арсенид алюминия-галлия. Электроны внутри этих слоёв заперты в плоскости, как муравьи на листе бумаги.

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.

Ночью над сибирской тайгой иногда вспыхивает слабый голубой свет. Это не северное сияние, а космический ливень: одна частица из далёкого космоса врезается в атмосферу и рассыпается на миллионы вторичных частиц. Они летят к земле широким фронтом, как волна от брошенного в воду камня, и заставляют воздух светиться. Установки «Тунка-133» и TAIGA-HiSCORE семь лет следили за такими вспышками.

Высоко над Антарктидой воздушный шар поднял прибор, который ловил электроны из космоса. Эти частицы прилетают от далёких взрывов звёзд и других мощных событий. Прибор измерял их энергию — как силу удара. И вот в одном диапазоне энергий ударов оказалось больше, чем предсказывали расчёты. Первый анализ данных показал широкий горб на графике: будто в потоке частиц появилась лишняя струя.