Происхождение Вселенной

Поражает совпадение форм и размеров структур, получаемых при моделировании поведения темной материи, с теми, которые реально наблюдаются в нашей Вселенной. Практически не остается сомнений, что темная материя реально существует и, более того, что именно она послужила питомником для формирования галактик, таких как наш Млечный Путь.

Что такое темная материя?

До сих пор мы не можем дать исчерпывающего ответа на этот вопрос. Она должна быть невидимой или, по крайней мере, едва заметной, поэтому в ее состав не должно входить ничего, что может сильно излучать, отражать или поглощать свет. Таким образом, обычное вещество, состоящее из атомов, не подходит. Так возникла гипотеза, что темную материю могут составлять большие объекты, такие как черные дыры или экзотические нейтронные звезды, или белые карлики, ведь они практически не видны в телескопы. Такие объекты даже получили специальное название: массивные астрофизические компактные объекты гало (massive astrophysical compact halo objects, MACHO). Но наблюдатели отвергли эту гипотезу. Дело в том, что сильная гравитация таких объектов отклоняла бы свет, идущий к нам от далеких звезд. Мы видим эффекты гравитационных линз, но достаточно редко: эти явления могут объяснить только несколько процентов недостающей массы.

Большинство космологов считают, что мы буквально купаемся в море темной материи, состоящей из газа слабо взаимодействующих массивных частиц, газа, который пронизывает всю галактику, включая нашу Солнечную систему. Тем не менее ни одна из частиц, открытых за последнее столетие, не годится на эту роль. Темная материя должна быть чем-то совершенно новым. За последние годы были сделаны дюжины различных предположений. Предлагались различные варианты: от тяжелых нейтрино-подобных частиц до сверхлегких гипотетических аксионов, от обычной материи со слегка искаженными свойствами (см. ниже «Странно знакомые») до действительно странных вариантов с частицами, двигающимися сквозь дополнительные пространственные измерения.

Суперсимметрия

Тем не менее для многих физиков среди этих гипотез существует явный фаворит: частицы, предсказанные теорией суперсимметрии. В нашем мире существуют два класса частиц: фермионы и бозоны. Фермионы – это такие частицы, как электроны, нейтрино и кварки, из которых и состоит то, что мы называем веществом. Бозоны – это частицы, ответственные за передачу взаимодействий в природе. Электромагнитная сила есть не что иное, как бозоны – фотоны, снующие туда-сюда между электрически заряженными частицами.

Теория суперсимметрии предполагает, что для каждого типа фермиона должен также существовать соответствующий тип бозона со многими сходными свойствами (рис. 6.3). У электрона, например, должен быть до сих пор еще не открытый, но уже получивший имя партнер – селектрон. Так же фотон должен иметь среди фермионов аналог по имени фотино.

Среди новых частиц, согласно теориям суперсимметрии, есть одна, которая может быть стабильной и иметь характеристики, требуемые для кандидата в темную материю. Это легчайшая частица, которая получила название «нейтралино». Если нейтралино действительно существуют, то эти легчайшие частицы, вероятно, должны были возникнуть в первые секунды после Большого взрыва в количествах, необходимых для появления темной материи в нашей сегодняшней Вселенной.

Рис. 6.3. Сравнение стандартной модели и теорий суперсимметрии: в теориях суперсимметрии нейтралино являются более тяжелыми партнерами фотона, Z-бозона – переносчика слабого взаимодействия, и бозонов Хиггса