Из чего состоит темная материя: новости физики элементарных частиц

Из чего состоит темная материя, есть ли в природе пятая сила, сколько весит нейтрино и можно ли сделать из одного фотона три? Чтобы ответить на эти вопросы, специалисты в области физики элементарных частиц в последние месяцы провели множество интересных экспериментов.

Новый кандидат

Ученые из Йоркского университета (Великобритания) предложили нового кандидата на роль «кирпичика» темной материи — ​гексакварк. Ранее выдвигались гипотезы о том, что невидимая часть материи Вселенной состоит из аксионов, темных фотонов, слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP), сверхтяжелых гравитино и т. д. У каждой группы были сильные аргументы, но надо понимать, что все это пока не обнаруженные частицы. А существование гексакварка подтверждено экспериментально в 2014 году.

Частица состоит из шести кварков. Эксперименты показали, что при определенных условиях гексакварки слипаются друг с другом необычными способами. Например, при охлаждении почти до абсолютного нуля они образуют конденсат Бозе — ​Эйнштейна, при таком состоянии вещества частицы начинают действовать как один большой суператом. Британские ученые утверждают, что гексакварки конденсировались сразу после Большого взрыва и образовали темную материю.

Аномальные углы

Физики давно подозревают, что помимо четырех фундаментальных сил природы — ​электромагнетизма, гравитации, сильного и слабого ядерного взаимодействия — ​есть пятая, связывающая частицы той самой темной материей. Ученые из Института ядерных исследований в Венгрии под руководством Аттилы Краснахоркаи провели опыты с атомом гелия и нашли новые доказательства этой гипотезы.

В 2016 году они наблюдали распад изотопа бериллия. Когда возбужденное ядро переходит в обычное состояние, оно отдает избыток энергии в виде фотона. Фотон может породить пару из электрона и позитрона, которые разлетятся в разные стороны. Не будем вдаваться в подробности, скажем лишь, что в венгерском эксперименте они разлетелись не так, как должны были по закону сохранения энергии, — ​не под тем углом. Ученые предложили такое объяснение: время от времени ядро сбрасывает избыток энергии в виде новой, ранее неведомой частицы. Эту частицу венгры назвали Х17, и ее существование намекает на наличие неизученной силы, которая действует совсем не так, как традиционная четверка. В этом году исследователи из Венгрии повторили опыт, но уже с ядром гелия. И снова увидели аномальный угол. Но чтобы подтвердить, что породила его пятая сила, надо поймать X17 в экспериментах на ускорителе. Попытки были, в том числе на Большом адронном коллайдере, но успехом не увенчались.

Гипердетектор

Власти Японии одобрили строительство нейтринного детектора «Гипер-Камиоканде» (Hyper-K) недалеко от города Хида, в цинковой шахте Камиока. В проекте примут участие 16 стран, в том числе Россия. Работы начнут до конца весны.

Это будет самый большой детектор нейтрино в мире. Резервуар из нержавеющей стали «Гипер-Камиоканде» заполнят 1 млрд л воды (объем резервуара действующего японского детектора «Супер-Камиоканде» в 20 раз меньше) и оснастят фотоумножителями, которые улавливают слабые вспышки, возникающие, когда нейтрино сталкиваются с атомами в воде, вызывая выброс высокоскоростных заряженных частиц.

Огромный размер «Гипер-Камиоканде» позволит обнаруживать беспрецедентное количество нейтрино, испускаемых разными источниками, включая космические лучи, Солнце, сверхновые, а также нейтрино, созданные на ускорителе. Кроме того, если в воде произойдет самопроизвольный распад протонов в атомных ядрах, детектор зафиксирует это, сделав революционное открытие, которое приблизит ученых к пониманию происхождения материи во Вселенной. Начать эксперименты на «Гипер-Камиоканде» планируют в 2027 году.

Верхний предел

Раньше считалось, что нейтрино не обладают массой, но результаты исследований последних лет показали, что это не так. Чтобы определить точную массу частицы, надо постепенно сужать диапазон между верхним и нижним пределом значения.

Ученые Технологического института в Карлсруэ (Германия) в рамках эксперимента KATRIN определили новое значение верхнего предела массы нейтрино. Оно составляет 1,1 электронвольта (прежнее значение — ​0,55). Исследователи применили 200-тонный электронный спектрометр, который используется для изучения распада трития — ​радиоактивного изотопа водорода. Когда тритий распадается, он порождает единственный электрон и нейтрино одновременно. Определение начальной энергии трития и измерения энергии этого электрона высокочувствительным спектрометром позволяют вычислить массу нейтрино с достаточно высокой точностью.

Расщепление фотона

Физики из Института квантовых вычислений канадского Университета Ватерлоо впервые расщепили фотон на три фотона. «Технология расщепления фотона на два была рабочей лошадкой исследований в области квантовой механики более 30 лет, — ​рассказывает профессор Крис Уилсон. — ​Возможность расщепления фотона на три ложится в основу совершенно новых парадигм квантовой оптики и открывает новую область исследований».

Для расщепления частицы света ученые применили метод, основанный на SPDC (spontaneous parametric down-conversion, спонтанное параметрическое рассеяние). Три фотона практически идентичны, скоро ученые проверят, есть ли между ними квантовая запутанность.