Иногда физики ищут частицу потому, что увидели необъяснимый след в детекторе. С аксионом произошло почти противоположное. Его существование начали обсуждать потому, что одна из самых успешных физических теорий оказалась подозрительно аккуратной. В уравнениях сильного взаимодействия есть возможность нарушения фундаментальной симметрии, однако природа почему-то практически ею не пользуется. Почти полвека спустя частица, возникшая из попытки объяснить эту странность, превратилась еще и в одного из самых привлекательных кандидатов на роль невидимой материи Вселенной.
История начинается с квантовой хромодинамики, или КХД, — теории взаимодействия кварков и глюонов. Она чрезвычайно успешно описывает сильное ядерное взаимодействие, но допускает параметр, который должен был бы приводить к заметному нарушению так называемой CP-симметрии. Если говорить очень упрощенно, законы сильного взаимодействия могли бы немного различать процессы и их зеркальные аналоги с заменой частиц на античастицы.
Эксперименты показывают, что такого заметного эффекта нет. В частности, электрический дипольный момент нейтрона оказывается чрезвычайно мал. Чтобы теория соответствовала наблюдениям, соответствующий параметр приходится делать поразительно близким к нулю. Почему природа выбрала настолько специальное значение? Эта загадка получила название сильной CP-проблемы.
В 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Куинн предложили элегантный выход: добавить в теорию новую симметрию, благодаря которой проблемный параметр не приходится вручную устанавливать почти равным нулю — динамика сама приводит систему к нужному состоянию. Вскоре Стивен Вайнберг и Фрэнк Вильчек независимо показали, что у такого механизма должна появиться новая частица.
Вильчек первоначально назвал ее совсем иначе, но в физику вошло название «аксион», предложенное Вайнбергом. Так появилась частица, существование которой никто не требовал для объяснения галактик, звезд или космологии. Она должна была решить довольно специальную проблему физики сильного взаимодействия.
А затем произошло неожиданное.
Космологи поняли, что аксионы могли массово возникать в ранней Вселенной. Они должны быть чрезвычайно легкими, электрически нейтральными и очень слабо взаимодействовать с обычным веществом. Это именно те качества, которые требуются от темной материи: она должна почти не участвовать в электромагнитных взаимодействиях и потому оставаться невидимой, одновременно создавая гравитацию.
Сегодня астрономические наблюдения показывают, что темной материи во Вселенной примерно в пять раз больше по массе, чем обычной барионной материи, из которой состоят звезды, планеты и мы сами. Мы видим ее гравитационное влияние на вращение галактик, движение скоплений и формирование крупномасштабной структуры, но до сих пор не знаем, из каких частиц она состоит.
Аксион оказался особенно красивым кандидатом потому, что решает две совершенно разные проблемы одновременно. Физики не изобретали его специально, чтобы заполнить Вселенную темной материей. Сначала он появился внутри квантовой хромодинамики, а уже затем выяснилось, что космология способна производить огромное количество таких частиц.
Но как поймать нечто, что почти ни с чем не взаимодействует?
Одна из возможностей основана на слабой способности аксиона превращаться в фотон в сильном магнитном поле. На этом принципе работает американский эксперимент ADMX. Внутри мощного магнита находится чрезвычайно чувствительный микроволновый резонатор. Если галактическое гало действительно заполнено аксионной темной материей подходящей массы, очень небольшая доля этих частиц может преобразоваться в микроволновые фотоны и создать слабый, но характерный сигнал.
Проблема напоминает попытку услышать шепот в помещении, где одновременно работает огромное количество приборов. Поэтому установка охлаждается до крайне низких температур, электроника становится все чувствительнее, а исследователи постепенно просматривают различные диапазоны возможных масс аксиона.
Другой способ поиска превращает в источник частиц Солнце. В его горячей плазме гипотетические аксионы могли бы возникать естественным образом и непрерывно лететь через Землю. Именно такой подход использовал эксперимент CAST в CERN: мощный магнит должен был превращать часть солнечных аксионов обратно в рентгеновские фотоны.
Следующим крупным шагом должен стать International Axion Observatory, IAXO — специализированный гелиоскоп нового поколения. Его задача состоит в том, чтобы значительно повысить чувствительность к солнечным аксионам и аксионоподобным частицам. Таким образом, физики буквально пытаются использовать Солнце как гигантский естественный источник новой физики.
Но лаборатории и Солнце — лишь часть охоты. Одними из наиболее экстремальных детекторов потенциальных аксионов являются нейтронные звезды.
После взрыва массивной звезды может остаться объект массой порядка солнечной, сжатый до размеров города. В его недрах вещество находится при плотностях, которые невозможно устойчиво воспроизвести в земной лаборатории. Если аксионы взаимодействуют с частицами ядерного вещества, они способны рождаться внутри такого сверхплотного объекта.
Обычному фотону выбраться из плотной звездной среды трудно: он многократно взаимодействует с веществом. Очень слабо взаимодействующий аксион мог бы просто улететь, унося с собой энергию. В результате нейтронная звезда потенциально охлаждалась бы быстрее.
Именно поэтому астрономические измерения температур и эволюции нейтронных звезд позволяют проверять свойства гипотетических частиц. Если звезда остывает так, как предсказывает стандартная физика, это ограничивает количество энергии, которое могли бы незаметно уносить аксионы. Если наблюдается необычное охлаждение, появляется пространство для новых гипотез — хотя само по себе оно не является доказательством существования аксионов.
Это важный принцип современной физики. Частицу можно искать не только непосредственно в детекторе. Иногда ее существование проверяют по тому, что она должна была бы сделать со звездой, галактикой или ранней Вселенной.
Причем сегодня слово «аксион» часто используется рядом с более широкой категорией аксионоподобных частиц. Они могут обладать похожими свойствами, но не обязаны строго соответствовать первоначальному механизму Печчеи-Куинн. Подобные частицы возникают во многих расширениях Стандартной модели, включая некоторые варианты теории струн.
Пока ни один эксперимент не предъявил общепринятого доказательства существования аксиона. И это принципиально. Чем дольше продолжаются поиски, тем больше областей параметров исключается, а допустимое пространство для частицы становится уже. Но оно все еще огромно, потому что возможные массы и силы взаимодействия охватывают чрезвычайно широкий диапазон.
Если аксион все-таки будет обнаружен, последствия окажутся необычайными даже по меркам физики частиц. Одно открытие способно одновременно показать новую физику за пределами Стандартной модели, объяснить сильную CP-проблему и, при определенных свойствах найденной частицы, раскрыть природу темной материи.
В этом и заключается интеллектуальная красота истории. В конце 1970-х физики пытались исправить странность в уравнениях, описывающих кварки. Они не пытались объяснить невидимую массу галактик. Но спустя десятилетия та же математическая идея привела к детекторам, охлажденным почти до абсолютного нуля, огромным магнитам, наблюдениям Солнца и исследованиям мертвых звезд.
Возможно, аксиона в природе вообще нет. Наука допускает и такой финал. Тогда десятилетия экспериментов все равно исключат огромный класс теоретических возможностей и заставят искать другое объяснение.
Но если эта почти неуловимая частица существует, история окажется удивительно красивой. Загадка, обнаруженная внутри уравнений атомного ядра, может привести к веществу, которое окружает всю нашу Галактику. Иногда Вселенная прячет ответы не там, где возник вопрос.
А затем «Добавить на главный экран».
