Неуловимые соседи

Физики из Италии готовят эксперимент, который должен доказать или опровергнуть существование аксионов - гипотетических частиц, из которых состоит тёмная материя.

2006 год, возможно, станет годом очередного поворота (чтобы не сказать, переворота) в физике частиц. Очень может статься, что станет он и очень значительным годом и в астрономии, - и эти два обстоятельства друг с другом тесно связаны.

Связаны одной-единственной частицей под названием "аксион", существование которой пока не было доказано. Считается, что тёмная материя, на долю которой приходится 22% вещества во Вселенной, состоит как раз из этих гипотетических частиц.

Тёмная материя отличается зыбкостью и в прямом, и в переносном смыслах: поскольку аксионы очень слабо взаимодействуют с чем бы то ни было, и это взаимодействие является сугубо гравитационным, обнаружить их оказывается затруднительно, если не невозможно. Однако существование аксионов логически вытекает из некоторых астрофизических уравнений.

Некоторые теоретические расчёты приводят к ещё более любопытным результатам. Например, недавно было выдвинуто предположение, что, собственно, сверхмассивных чёрных дыр в центре, по крайней мере, нашей галактики просто нет. Точнее, они представляют собой нечто совсем иное, нежели полагалось прежде - шаровые скопления тёмного вещества.

Дело в том, что как и чёрные дыры, так и шарообразные скопления тёмного вещества способны порождать выбросы рентгеновского излучения, - о чём свидетельствуют результаты компьютерного моделирования, производившегося ещё в конце девяностых годов.

Физик Анатолий Свидзинский, сотрудник Texas A&M University, полагает, что именно такие "пузыри" тёмной материи располагаются в центре галактики и равномерно пульсируют, сокращаясь и расширяясь с периодом в двадцать минут - тем самым периодом, с которым наблюдаются мощные выбросы рентгеновского излучения из центра Млечного Пути.

Согласно модели Свидзинского, стабильность гигантскому аксионному "пузырю" придаёт его колоссальная масса, которая приблизительно соответствует 1 миллиону и 2,5 миллиардам масс нашего Солнца. Это в точности совпадает с тем диапазоном масс компактных массивных объектов в центрах галактик (подробнее смотрите здесь).

В прошлом десятилетии физик Хуссейн Йылмаз предложил поправку к Общей теории относительности, согласно которой притяжение начинает приобретать отрицательное значение по мере того, как гравитационное поле становится сильнее. Именно этим Свидзинский и объясняет осцилляцию "аксионного пузыря": по мере того, как пузырь растёт, его поверхностное натяжение заставляет его сокращаться, а когда он сокращается, начинает действовать "сила отталкивания", и пузырь снова раздувается.

Вопрос, однако, состоит в том, а существуют ли пресловутые аксионы вообще? Эксперимент, поставленный в Италии в начале года, дал результаты, которые можно рассматривать как позитивные, хотя они требуют дополнительной проверки (это будет сделано к концу года). Его суть состояла в пропускании лазерного луча через очень сильное магнитное поле. Учёные предположили, что некоторая, очень незначительная, доля фотонов при прохождении магнитного поля превратится в аксионы.

Группа физиков во главе с Эмилио Заваттини и Джованни Кантаторе обнаружила поворот поляризации лазерного луча на одну десятимиллионную градуса после 44 тысяч прохождений через магнитное поле в обоих направлениях. Фактический результат совпал с ожидаемым, - именно такой поворот и предполагался при условии, что часть фотонов обратилась в невидимые аксионы.

Исходя из полученных результатов экспериментаторы высчитывают массу аксионов и силу их взаимодействия. Однако их данные противоречат другим наблюдениям. Например, в 2003 году специальный телескоп CERN Axion Solar Telescope (CAST) за шесть месяцев так ни разу и не смог зарегистрировать аксионы, которые в изрядных количествах должны производить на свет Солнце и другие звёзды. Неудача CAST должна была исключить большой диапазон значений массы и силы взаимодействия гипотетических аксионов, в том числе и полученные Заваттини и Кантаторе значения. Кроме того, есть и ещё один аргумент против этой теории: если бы звёзды действительно производили аксионы в предсказываемых количествах, они старели бы куда быстрее.

Эксперимент был повторен с более чем одним лазером, и результаты получились сходные. Теперь физики готовят ещё один эксперимент, который должен будет развеять многие сомнения. В его основе лежит весьма изящная идея.

Суть её в следующем: лазерный луч будет упираться в непрозрачную стену, рядом с которой будет создано очень сильное магнитное поле. Если часть фотонов действительно преобразуются в аксионы, то стена им не помешает - они пройдут сквозь неё. С другой стороны стены будет располагаться другое магнитное поле, которое, теоретически, заставит часть аксионов обратиться обратно в фотоны, а их зарегистрировать - дело техники.

От исхода опыта будет зависеть, действительно ли был обнаружен аксион, или нет. Если да, то - здравствуй, тёмная материя.

- Дополнительная информация: релиз на eurekalert.org