взаимодействия нейтрино с тёмной материей

В подземной лаборатории в Южной Дакоте стоит бак с жидким ксеноном. Он ловит редкие события: частицы проходят сквозь Землю, ударяют по ядрам ксенона, и те отскакивают, как бильярдные шары после удара. Один такой отскок зафиксировали при энергии 248 кэВ, и он оказался одиноким, как громкий удар колокола в тихой ночи. Сначала подумали на нейтрино.

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.

Два ядра с одинаковым числом частиц, но разной формой нейтронной шубы, сталкиваются на скорости, близкой к скорости света. Рутений-96 и цирконий-96 — как два близнеца, у одного из которых шуба чуть толще. Эта разница меняет, как частицы переносят заряд в огненном шаре столкновения. Нейтронная шуба — это слой нейтронов на поверхности ядра.

Белый карлик — это бывшее ядро звезды вроде Солнца, сжатое до размеров Земли. Чайная ложка его вещества весила бы несколько тонн. Нейтронная звезда — ещё более плотный остаток: город размером с Манхэттен, но с массой больше солнечной.

Нейтронная звезда — это город размером с Манхэттен, который весит как полмиллиона Земель. Чайная ложка её вещества перевесила бы Эверест. А теперь в этот сверхплотный шар подмешали что-то невидимое и неуловимое — частицы тёмной материи. Именно это сделали физики в новом исследовании.

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.

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.

Эрвин Шрёдингер размышлял, как жизнь поддерживает порядок вопреки второму началу термодинамики. Он и представить не мог, что часть ответа скрыта в нестабильности гигантских звёзд. Эксперименты Ву Цзяньсюн доказали: слабое взаимодействие нарушает зеркальную симметрию.

Космология похожа на оркестр, где разные группы инструментов вдруг начали играть вразнобой. Измерения скорости расширения Вселенной (постоянной Хаббла) по ранней и поздней Вселенной дают разные числа. Другие наблюдения намекают на «отрицательную» массу нейтрино нейтронных звёзд — физический нонсенс.

Столкновение двух нейтронных звёзд — это космическая лаборатория, где вещество сжато до немыслимых плотностей. В первые мгновения после слияния рождается горячее облако, которое остывает, испуская нейтрино. Эти частицы-невидимки уносят энергию и диктуют, сколько вещества будет выброшено в космос и какие тяжёлые элементы синтезируются.

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.

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.

Глубоко под землёй в Японии стоит огромный резервуар с чистейшей водой. Он ждёт редких гостей — нейтрино, прилетающих от взрывов далёких звёзд. Таких гостей почти не бывает: за годы наблюдений аппарат Super-Kamiokande регистрирует лишь несколько событий. Но недавно физики заметили, что гостей чуть больше, чем ожидалось.

Рой светлячков почти не сталкивается, но синхронно меняет цвет, обмениваясь сигналами. Так ведут себя нейтрино в плотных потоках от коллапсирующих звёзд: они коллективно превращаются из одного типа в другой, хотя поодиночке взаимодействуют крайне слабо.

Огромный резервуар с чистейшей водой спрятан глубоко под землёй в Японии. Его стены усеяны тысячами светочувствительных ламп, которые ловят слабые вспышки — следы частиц-призраков, пролетающих сквозь толщу воды. Этот детектор, Super-Kamiokande, долго всматривался в небо в поисках нейтринного эха древних звёздных взрывов. И вдруг — неожиданный всплеск.

Архитектор сверяется с чертежом, когда строит дом. У космологов чертёж — это стандартная модель, а рулетка — свет далёких галактик. Недавно новая «рулетка», прибор DESI, измерила расстояния до миллионов галактик с невиданной точностью. И цифры не совпали с чертежом.

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.

Переводчик на полпути через зал вдруг начинает передавать сообщение наоборот. Примерно так может повести себя нейтрино — частица-призрак, почти не замечающая вещества, — если на его пути встретится облако сверхлёгкой тёмной материи.

На кухне стоит ведро с водой и такое же ведро с песком. Высыпаем песок в воду — и получаем смесь, где песка ровно в пять раз больше, чем воды. Примерно так устроена наша Вселенная: обычного вещества, из которого сделаны звёзды, планеты и мы сами, — одна часть, а неуловимой тёмной материи — пять.

В середине XX века астроном Вера Рубин обнаружила, что звёзды на окраинах галактик движутся слишком быстро — их удерживает невидимая масса.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была горячим бульоном из частиц. Среди них могли быть нейтрино — очень лёгкие и почти неуловимые частицы. Некоторые из них, возможно, были «стерильными»: они почти не общаются с остальным веществом, как тихий гость на шумной вечеринке.

Тёмная материя — невидимое вещество, которое держит галактики вместе, но не испускает свет. Поймать её частицы — всё равно что услышать шёпот в шумном зале. Обычные детекторы слышат только громкие удары, а слабые сигналы тонут в помехах. В жидком аргоне частица тёмной материи, столкнувшись с ядром атома, выбивает искру света и облако зарядов. Но при слабом толчке искра едва тлеет.

В 2017 году детекторы LIGO и Virgo поймали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд. Вспыхнула килоновая — яркий космический взрыв, в котором, как считалось, рождаются самые тяжёлые элементы таблицы Менделеева. Золото в кольцах, платина в катализаторах, европий в экранах смартфонов — всё это, по красивой легенде, прилетело к нам из таких катастроф.

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.