Монументальний космічний «парад» за участю Сонця і чорної діри може допомогти в пошуку частинок, з яких складається темна матерія.
Паради планет - відносно рідкісне явище, суть якого полягає в тому, що кілька планет шикуються вздовж прямої лінії. Але є у Всесвіті і більш масштабні «паради», на зразок того, який стався 18 грудня, коли Земля, Сонце і чорна діра в центрі Чумацького Шляху вишикувалися в ряд. І хоча безпосередньо спостерігати таку подію важко, астрофізикам все ж вдалося виконати під час неї цікаві вимірювання, що безпосередньо стосуються проблем темної матерії та енергії.
Наш Всесвіт складається переважно з матерії. Однак під час Великого Вибуху мала утворитися однакова кількість матерії та антиматерії. Так званий СР-інваріант був запропонований Львом Ландау як основоположна симетрія між матерією і антиматерією: вони перетворюються один в одного при дзеркальному відображенні з одночасною заміною всіх частинок на античастинки, і фізичні закони повинні підкорятися інваріанту без винятку. Тим не менш, СР-інваріант виявився порушений, і матерії виявилося більше, ніж антиматерії. Точний механізм того, чому так вийшло, поки неясний, і це одна з дуже важливих невирішених проблем фізики.
На сьогоднішній день у нас є експериментальне підтвердження того, що СР-інваріант порушений для слабкої взаємодії, що відповідає за процеси ядерного розпаду. Але при тому неясно, чи достатньо одного такого порушення інваріанта, щоб пояснити дисбаланс між матерією та антиматерією.
Водночас збереження СР-інваріанта в сильній взаємодії, яка утримує ядра разом, є важливим завданням квантової хромодинаміки - розділу теоретичної фізики, який описує сильну взаємодію. Рівняння, яке описує сильну взаємодію, містить параметр, при мізерно малому значенні якого СР-симетрія зберігається. Але чому з усіх можливих значень він приймає саме це значення? Наприкінці 70-х років Роберто Печчеї і Хелен Куїнн запропонували елегантне рішення проблеми. Вони припустили, що в рівняння потрібно включити не зовнішній параметр, а поле гіпотетичної електронейтральної частинки з дуже малою масою, яку назвали аксіоном.
У аксіону виявилося велике майбутнє. Справа в тому, що інша фундаментальна загадка, яку намагаються розгадати сучасні фізики - це питання про природу темної матерії і темної енергії. Вони називаються темними, тому що ніяк не взаємодіють зі світлом, і їх неможливо спостерігати безпосередньо. Проте саме вони дозволяють пояснити швидкість розширення Всесвіту; більш того, розрахунки показують, що кількість темної матерії та енергії у Всесвіті набагато більша, ніж матерії «відчутної».
Існує кілька теорій, які описують можливий пристрій темної матерії, велика частина яких сходиться на тому, що темна матерія складається з електронейтральних частинок з дуже маленькою масою, що зводить до віртуального мінімуму їх взаємодія з «звичайною» матерією. Таким чином, аксіон цілком може бути одним з «цеглинок» темної матерії. Імовірно, перебуваючи в сильному магнітному полі, аксіон повинен перетворюватися на фотон з рентгенівського спектра. Якщо так, то його можна виявити експериментально.
Хамелеон - ще більш екзотична частинка, яку теж вважають «членом» темної матерії. Ефективна маса хамелеону залежить від щільності енергії оточення, і якщо в міжгалактичному просторі маса хамелеону буде дуже малою, то, наприклад, на Землі, вона повинна бути істотно більше. Хамелеони, як і аксіони, повинні перетворюватися на фотони в сильному магнітному полі, тому обидві частинки можна шукати, використовуючи одну і ту ж експериментальну установку.
Європейська організація з ядерних досліджень, або ЦЕРН (CERN), крім основної своєї діяльності, прихистила у себе велику кількість «дочірніх» досліджень. Деякі з них виконуються на Аксійному Сонячному Телескопі ЦЕРНа (CAST - CERN Axion Solar Telescope), який об'єднує астрономію з напрацюваннями в області прискорювачів, детекторів рентгенівського випромінювання, магнітів і кріогеники. Експерименти на CAST'e націлені на пошук аксіонів і хамелеонів. Якщо аксиони існують, вони повинні існувати в центрі Сонця. У той момент, коли Сонце і Земля знаходяться на одній лінії з чорною дірою, фізики можуть використовувати Сонце як частину свого обладнання: його гравітаційне поле має сфокусувати повільні аксиони або хамелеони, що випускаються чорною дірою. Експеримент 18 грудня став першою спробою телескопа вловити екзотичні частинки, що випускаються чорною дірою.
"Зазвичай ми намагаємося знайти сонячні екзотичні частинки, але в такий особливий день (коли відбувається" парад "з чорною дірою - прим. ред.) ми здатні зазирнути далі Сонця, і подивитися, чи не станеться що-небудь ще. Центр галактики може випускати частинки, які ми могли б детектувати. Це б дало нам багато нової інформації про "темний всесвіт", тому що Сонце має посилити слабкий потік частинок в мільярд раз в той момент, коли воно знаходиться між чорною дірою і нашою планетою ", - пояснив Костянтин Ціутас, представник дослідницької групи, що виконувала експеримент.
В основі CAST'a - дипольний магніт; з таких магнітів складено Великий адронний колайдер. Поздовжній отвір всередині магніту (спочатку передбачений для прискорення елементарних частинок в колайдері) в даному випадку використовується як «підзорна труба». Система фокусуючих дзеркал для рентгенівських променів запозичена у Німецької космічної програми. Власне, «око» телескопа являє собою детектор рентгенівського випромінювання, а принцип роботи пристрою в цілому полягає в тому, що сильне магнітне поле служить ефективним «каталізатором» для трансформації аксіонів у промені рентгена, які вловлює спеціальний детектор.
Щоб виміряти взаємодію хамелеонів з матерією, фізикам потрібно «побачити», як хамелеони «відскакують» від атомів, і тут потрібне обладнання з надзвичайною чутливістю. Для цієї мети фізики побудували додаткову «пастку» - KWISP, або Тонкий кінетичний детектор слабозабезпечуючих частинок. KWISP обладнаний спеціальним мембранним силовим сенсором, який вібрує з певною частотою, коли на нього потрапляють хамелеони.
Зараз фізики обробляють отримані дані, проте поки попередні результати ніяких нових частинок не виявили. Наступного року «парад» включить у себе і Місяць, що, можливо, збільшить ймовірність виявлення екзотичних аксіонів і хамелеонів.