Темную материю тел "ловят" по частям

Ученым удалось найти первые экспериментальные доказательства существования частиц, составляющих темную материю. Группа голландских физиков "поймала" так называемый фермион Майораны: частицу, которая одновременно является и античастицей. А другие исследователи подсчитали, сколько раз в год эти загадочные частицы сталкиваются с атомами наших тел.

Фото: Темную материю тел "ловят" по частям

Следует заметить, что до сих пор такое понятие, как темная материя, является скорее гипотетическим, чем реальным. Ее существование предположили для того, что бы объяснить несколько парадоксальных вещей, наблюдаемых во Вселенной. Например, ее присутствие решает астрофизическую проблему скрытой массы, то есть несоответствия массы галактик, вычисляемой по количеству обычной материи в них, с массой, к которой можно прийти, исходя из силы гравитационного взаимодействий галактик друг с другом.

Проще говоря, исследования уже давно показали, что реальная масса галактик оказывается намного больше той, что дает одна лишь видимая материя. Логично предположить, что существует еще некая невидимая часть материи, наличие которой и "утяжеляет" Вселенную. Ну, а невидимая она потому, что не вступает с обычной ни в какие взаимодействия, помимо гравитационного. В том числе и в электромагнитные — а значит, не испускает и не поглощает свет. Потому-то ее и назвали "темной".

Кроме того, есть предположение, что именно темной материей можно объяснить так называемый дефицит антиматерии во Вселенной. В самом деле, обычных частиц там хоть пруд пруди, а симметричных им античастиц днем с огнем не сыщешь. По идее, если исходить из теории Большого Взрыва, подобного не должно быть — согласно ей, обычные частицы и их двойники возникли в равном количестве. Но куда потом исчезли все античастицы? Вот физики и предположили, что они в основном находятся в этой темной материи (поэтому-то, сами понимаете, их днем с огнем не сыскать).

Сразу хочу сказать, что расчеты и гипотезы, связанные с темной материей, нельзя считать "антинаучным бредом" или "растратой государственных денег, выделяемых на науку", как часто любят заявлять люди, которые в своей жизни не сделали ни одного, даже самого элементарного достоверного открытия. Согласно правилам, принятым в науке, любая гипотеза имеет право на существование, пока она не будет опровергнута реальным, мысленным или компьютерным экспериментом.

Темную материю тел "ловят" по частям

Главное, чтобы эта гипотеза была потенциально проверяемой, поскольку с непроверяемыми версиями вроде наличия или отсутствия бога наука принципиально дела не имеет. В случае гипотезы о наличии темной материи с проверяемостью как раз все в порядке — ведь феномен скрытой массы и асимметрия антиматерии являются вполне себе доказанными фактами. Поэтому предположение о существовании темной материи является вполне корректной с научной точки попыткой объяснить эти явления.

Ну, а то, что ее существование до сих пор не подтвердили и не опровергли, не должно никого смущать — в науке между гипотезой и ее подтверждением порой проходит очень много времени. Например, закон всемирного тяготения Исаака Ньютона был окончательно подтвержден лишь через несколько столетий после того, как великий физик его сформулировал.

Однако с темной материей дела обстоят куда лучше — уже найдены первые доказательства ее существования. Так, недавно исследовательская группа Лео Коувенховена и его коллег из Делфтского технического университета (Нидерланды) смогла доказать реальность существования фермиона Майораны. А по предположениям многих астрофизиков, темная материя должна по крайней мере наполовину состоять из этих частиц.

Напомню, что фермионом Майораны называют гипотетическую частицу с дробным значением спина, существование которой предсказал итальянский ученый Этторе Майорана еще в 1930 году. Если сказать о ней просто, то фермион Майораны является своей собственной античастицей. То есть он переходит в противоположное состояние после того, как его спин (момент импульса) сам по себе меняется на противоположный. Именно присутствие этих интересных частиц в составе темной материи и может объяснить проблему асимметрии антиматерии во Вселенной.

Темную материю тел "ловят" по частям

Но как же поймать этот фермион? Ученые рассуждали так: в стандартном транзисторе приложение напряжения к металлическому электроду, являющемуся логическим элементом, приводит к тому, что ток проходит через полупроводник между двумя другими металлическими электродами. Если же заменить один из вторичных электродов сверхпроводником и подавать ток через специальную полупроводниковую нанонить под действием магнитного поля, можно добиться от электронов в этой нанонити коллективного поведения, показывающего, что на противоположном конце нити присутствуют фермионы Майораны.

Более того, достаточное количество энергии у электрона позволит ему пройти через этот загадочный фермион Майораны, который должен по расчетам находиться на другой стороне нанонити. Если же послать ток через нормальный электрод к сверхпроводящему электроду без магнитного поля, воздействующего на последний, то электроны будут отскакивать от сверхпроводника, поскольку их энергии не хватит для прохождения через фермион.

То есть во втором случае ток на сверхпроводящем электроде не появится, и, соответственно, напряжение на нем будет равно нулю. При включении же магнитного поля, когда электроны войдут в сверхпроводник, на выходе должен быть заметный скачок напряжения, улавливаемый обычным вольтметром. Рассчитав все параметры эксперимента самым тщательным образом, профессор Коувенховен и его коллеги приступили к самим опытам.

С самого начала все пошло так, как они предсказывали. В случае замены одного электрода на сверхпроводник и включения магнитного поля приборы фиксировали ощутимый скачок напряжения. Но как только физики убирали магнитное поле или меняли второй электрод также на сверхпроводящий, условия, теоретически необходимые для существования квазичастиц типа фермионов Майораны, исчезали и вольтметры молчали как рыбы. Так удалось экспериментально исключить малейшую вероятность того, что наблюдаемый скачок напряжения вызван иными причинами. Ну, а раз так, то доказательства существования фермиона Майорана можно считать полученными.

Да и, кстати, вела себя эта частица именно так, как и положено элементам темной материи — она пропустила электроны сквозь себя и не взаимодействовала с ними. Теперь уже можно с уверенностью сказать, что по крайней мере одна из самых многочисленных частиц, составляющих темную материю, действительно существует в природе. Впрочем, ученые вряд ли успокоятся на достигнутом — им ужасно хочется подтвердить существование и других распространенных "темных" частиц, а именно вимпов.

Напомню, что вимпом называют гипотетическую массивную (в несколько десятков раз тяжелее протона) частицу, вступающую лишь в слабые и гравитационные взаимодействия. Именно поэтому-то, кстати, ее очень сложно обнаружить. Тем не менее, хоть ее пока и не удалось поймать, ученые из Мичиганского университета (США) и их коллеги из Университета Стокгольма (Швеция) все же смогли рассчитать, насколько часто должны эти таинственные вимпы сталкиваться с ядрами атомов, составляющих наше тело.

Исследователи исходили из того, что в среднем любой человек состоит 70 из килограммов смеси кислорода, водорода, углерода и азота. Их расчеты показали, что эти самые вимпы, которые мы никак не ощущаем, примерно 30 раз в год должны врезаться в ядра наших атомов, и чаще всего — в таковые кислорода и азота. Но это минимум. А максимальное количество столкновений равно примерно 100 тысячам раз в год.

В этом нет ничего удивительного: ведь темная материя находится не на каких-то там задворках Вселенной — она есть в любой ее части, в том числе и на нашей планете (кстати, тот же фермион Майораны нашли именно на Земле, а не в космосе). Поэтому вполне логично, что все мы постоянно купаемся в бескрайних океанах этой материи, состоящей из вимпов и других частиц, а они постоянно проходят сквозь наши атомы.

Правда, пока что невозможно сказать, какое влияние оказывают эти события на здоровье, если вообще оказывают. Однако если учесть, что это происходит уже миллиарды лет, а обитатели Земли все еще не померли от последствий данных столкновений, то можно смело говорить о том, что для нас "темные" частицы совершенно безвредны…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"