Тайна зеркальной материи и нейтроны-путешественники

Стандартные модели физики элементарных частиц и космологии до сих пор не могут объяснить целый ряд явлений — от природы тёмной материи до асимметрии материи и антиматерии. В поисках ответа некоторые теоретики обратились к смелой гипотезе зеркального мира. Идея звучит как сюжет «Звёздного пути», но за ней стоят серьёзные расчёты: у каждой известной нам частицы — электрона, протона, нейтрона — может существовать зеркальный двойник с той же массой, который почти не взаимодействует с нашей материей. «По сути, оба типа частиц чувствуют друг друга только через гравитацию», — поясняет Геза Жигмонд (Geza Zsigmond) из Института Пауля Шеррера (PSI). Однако зарегистрировать зеркальные частицы по одному лишь гравитационному влиянию невозможно.

Куда более заманчивый путь — поймать момент, когда нейтральная частица на краткий миг исчезает из нашего мира, чтобы затем появиться вновь. Согласно гипотезе, любое нейтральное тело — будь то элементарное нейтрино или составной нейтрон — способно смешиваться со своим зеркальным партнёром. Такая осцилляция между мирами оставила бы характерный след: ультрахолодные нейтроны, помещённые в ловушку, время от времени пропадали бы, а их общее количество заметно снижалось. Предыдущие эксперименты с сильными магнитными полями, призванными усилить переход, давали противоречивые результаты и не позволяли сделать однозначных выводов.

25 миллионов нейтронов под прицелом

Физики из PSI и Швейцарской высшей технической школы Цюриха под руководством Николаса Айреса (Nicholas Ayres) поставили самый точный в мире эксперимент такого рода. С помощью протонного ускорителя они получили огромное количество нейтронов, замедлили их до сверхнизких энергий и порциями по 1,5 миллиона штук запускали в резервуар из нержавеющей стали. Каждые 200 секунд ловушка опустошалась, и учёные подсчитывали, сколько нейтронов осталось. Если бы часть частиц действительно «ныряла» в зеркальный мир, цифры не сходились бы. Дополнительно в ходе измерений варьировались направление и сила внешнего магнитного поля.

За всё время через установку прошло 25 миллионов ультрахолодных нейтронов — и ни одного намёка на аномальные потери. «Мы не зафиксировали никаких признаков осцилляций нейтронов в зеркальные нейтроны», — констатируют авторы в статье для Physical Review Letters. Статистическая достоверность результата такова, что ранее очерченный теоретиками коридор параметров, в котором мог бы прятаться сигнал, теперь закрыт на 99,98 процента.

Что это значит для зеркальной вселенной

Фактически работа команды Айреса ставит жирный крест на простейших вариантах зеркальной гипотезы. Либо зеркального мира в предложенном виде не существует, либо нейтральные частицы проникают туда куда хуже, чем предсказывали расчёты. Для теоретиков это не тупик, а скорее приглашение пересмотреть модели. «Сужая поле для спекуляций, мы показываем коллегам, что нужно искать новые пути, — говорит Жигмонд. — Только такие импульсы и движут физику вперёд».

Любопытно, что ещё несколько лет назад эксперименты во французском Институте Лауэ–Ланжевена вдохнули новую жизнь в дискуссию о зеркальных нейтронах, но сверхточные данные PSI теперь заставляют отнестись к тем намёкам с изрядной долей скепсиса. Впрочем, сама идея параллельных вселенных не уходит со сцены — просто её воплощение, вероятно, окажется куда сложнее, чем предполагалось. Кстати, мы уже рассказывали о совершенно ином, но не менее дерзком подходе к параллельным мирам: звездолёт нырнёт в параллельную вселенную, где физики предложили концепцию гипердвигателя, выталкивающего корабль в иную реальность.

Охота на зеркальных двойников: как физики просеяли 25 миллиардов нейтронов и не нашли параллельный мир

Представьте, что прямо сейчас сквозь вас проходят частицы из иной реальности. Они невидимы, неосязаемы и почти никак не проявляют себя — разве что изредка позволяют обычной материи на мгновение «исчезнуть» и появиться вновь. Звучит как сюжет научной фантастики, но именно такую гипотезу — гипотезу зеркальной материи — всерьёз рассматривают физики. И только что она пережила, возможно, самый сокрушительный удар за всю свою историю.

В Институте Пауля Шеррера (PSI) в Швейцарии завершился эксперимент, который смело можно назвать ювелирной работой на грани известной физики. Учёные попытались поймать момент, когда нейтрон — одна из фундаментальных частиц нашего мира — спонтанно превращается в своего зеркального двойника и на время покидает нашу Вселенную. Результат, опубликованный в Physical Review Letters, с вероятностью 99,98% исключает такую возможность в исследованном диапазоне. А это значит, что целое семейство теорий о природе тёмной материи и устройстве космоса теперь поставлено под вопрос.

Почему зеркальный мир вообще искали

Идея зеркальной материи не нова. Она родилась из попыток объяснить одну из главных загадок современной физики: тёмную материю. Мы знаем, что видимое вещество — звёзды, планеты, мы с вами — составляет лишь малую долю массы Вселенной. Всё остальное — нечто, что не излучает и не поглощает свет, но проявляет себя через гравитацию. Зеркальные частицы — идеальные кандидаты на эту роль: они почти не взаимодействуют с обычным веществом, кроме как через гравитацию и, гипотетически, через редкие квантовые превращения нейтральных частиц.

Нейтрон для такой охоты подходит как нельзя лучше. Он электрически нейтрален, а значит, не «цепляется» за электромагнитные поля, и обладает странным свойством: его время жизни, измеренное разными методами, даёт разные значения. Часть физиков предположила, что расхождение может объясняться как раз утечкой нейтронов в зеркальный мир — часть частиц просто исчезает во время эксперимента, искажая статистику. Если бы это подтвердилось, мы получили бы не только разгадку тёмной материи, но и первое экспериментальное окно в параллельную реальность.

Как выглядит охота на невидимку

Задача перед командой PSI стояла архисложная. Зеркальные частицы, если они существуют, не оставляют следов в детекторах. Единственный способ их заметить — уловить сам момент исчезновения нейтрона и его возможного возвращения. Для этого физики создали ультрахолодные нейтроны — частицы, замедленные до скоростей в несколько метров в секунду, — и заперли их в специальной ловушке.

Ловушка представляла собой большой вакуумный контейнер из немагнитной нержавеющей стали, окружённый катушками, создающими магнитное поле с высочайшей точностью. Почему это важно? Теория предсказывает, что вероятность осцилляции нейтрона в зеркального двойника чрезвычайно чувствительна к напряжённости и направлению магнитного поля. Меняя эти параметры шаг за шагом, учёные прочёсывали область, где превращение могло бы произойти.

Каждые пять минут в танк закачивали около полутора миллионов ультрахолодных нейтронов. Спустя примерно 200 секунд ловушку опорожняли и подсчитывали, сколько частиц осталось. Цикл повторяли месяцами. В сумме через эксперимент прошло 25 миллиардов нейтронов — и ни один из них не продемонстрировал аномального исчезновения, которое нельзя было бы объяснить известными процессами.

«Мы не увидели абсолютно никаких указаний на осцилляции», — констатирует Бернхард Лаусс, руководитель группы физики ультрахолодных нейтронов в PSI. Его коллега, Габор Жигмонд, добавляет: «Ограничивая поле для спекуляций, мы показываем теоретикам, что им нужно искать новые пути».

Точность, которая ставит точку

Результат PSI — самый точный в мире в данном классе экспериментов. Достигнутая чувствительность такова, что даже если превращения и происходят, их частота должна быть на порядки ниже предсказанной многими моделями. Для сравнения: предыдущие попытки, включая эксперименты с нейтронами в Гренобле и Лос-Аламосе, не имели ни такой статистики, ни такого контроля над магнитными полями.

Любопытно, что сама постановка опыта напоминает другую известную загадку — проблему времени жизни нейтрона. В «бутылочных» экспериментах, где нейтроны хранят в ловушке, они живут в среднем 879 секунд, а в пучковых, где измеряют продукты распада, — 888. Разница в девять секунд, возможно, самая интригующая нестыковка в нейтронной физике. Новые данные PSI почти исключают версию о том, что «пропавшие» нейтроны уходят в зеркальный мир. Так что загадка остаётся — и теперь физикам придётся искать другое объяснение.

Что дальше?

Хотя зеркальная материя не найдена, хоронить гипотезу рано. Эксперимент PSI перекрыл лишь определённый диапазон параметров — силу магнитного поля и время осцилляции. Теоретически зеркальные нейтроны могут проявлять себя в других условиях, например при сверхнизких полях или в присутствии материи. Но, как признаёт Лаусс, «дальнейшие существенные улучшения потребуют огромных усилий». На обозримую перспективу швейцарский результат останется эталоном.

Показательно, что исследование стало кузницей кадров: в его рамках защищены две докторские диссертации совместно с ETH Zürich, а через эксперимент прошли десятки студентов. Наука двигается не только открытиями, но и людьми, которые учатся задавать вопросы природе — даже когда та отвечает молчанием.

Кстати, тема параллельных вселенных не впервые будоражит физиков. Несколько лет назад мы писали о концепции гипердвигателя, который, по замыслу авторов, не разгоняет звездолёт, а выталкивает его в параллельную реальность — «Звездолет нырнет в параллельную вселенную: физики нашли способ обмануть скорость света». Тогда речь шла о смелой теории с восьмимерным пространством; сегодня же перед нами эксперимент, который не нашёл даже намёка на соседнюю реальность. Контраст отрезвляет, но именно так и работает наука: красивые гипотезы разбиваются о точные измерения, и из осколков вырастает новое понимание.