Природа темной материи: раскрыта или выдумана

В основе всех процессов, происходящих в известном нам мире, с точки зрения физики лежат четыре способа взаимодействия элементарных частиц: гравитация, электромагнетизм (проявлением которого являются в том числе силы трения или упругости), сильное ядерное и слабое ядерное взаимодействие. Три последних имеют много общего и объединены в единую теоретическую конструкцию, которая называется Стандартной моделью.

Однако ещё в 1920-х годах учёные выяснили, что звёзды нашей галактики — Млечного Пути — вращаются вокруг её центра значительно быстрее, чем должны, если исходить из известных законов и видимого количества вещества. Это дало основания предположить, что во Вселенной существует вещество, состоящее из неких ранее неизвестных частиц — его принято называть тёмной материей. Достаточно естественно при этом предположить, что частицы тёмной материи могут взаимодействовать между собой при помощи силы, которая не существует между обычными для нас частицами. Если так, то такое взаимодействие является пятой фундаментальной силой, существующей в нашем мире.

Тёмный кандидат

Обнаружить одного из кандидатов на роль составляющей тёмной материи — так называемый тёмный фотон — попыталась группа экспериментаторов из Atomki, Института ядерных исследований Венгерской академии наук.

В распоряжении сотрудников Atomki имелся небольшой ускоритель заряженных частиц, с помощью которого на образец лития посылался поток протонов. В результате происходило образование ядер бериллия-8. Эти ядра радиоактивны и распадаются через доли секунды. Обычно при этом происходит испускание фотона, но в среднем один раз из тысячи этот фотон ещё в ядре превращается в две других частицы — электрон и позитрон. Поведение этих двух частиц позволило венгерским учёным предположить, что в определённых довольно специфических условиях фотон на некоторое очень короткое время превращается из простого в тёмный.

Результаты эксперимента были опубликованы в авторитетном журнале Physical Review Letters в январе 2016 года, но не вызвали заметного отклика. Всё изменилось в апреле 2016 года, когда команда физиков-теоретиков из Калифорнийского университета в Ирвайне (США) представила статью с более детальным анализом результатов эксперимента.

Американцы заявили, что предположение о тёмном фотоне противоречит результатам других экспериментов и скорее всего является неверным. Вместо этого они предложили свою теорию. В её основе — предположение, что в процессе распада возникает некая частица, названная X-бозоном и являющаяся переносчиком того самого пятого способа взаимодействия. Это объяснение успешно прошло процесс научного рецензирования и в августе было опубликовано в том же журнале Physical Review Letters. По мнению учёных Калифорнийского университета, их теория объясняет и некоторые обнаруженные ранее аномальные эффекты.

Стоит ли этому верить?

Работы венгерских и американских учёных — не первые, в которых выдвигается гипотеза о существовании пятого фундаментального взаимодействия. Однако в подавляющем большинстве случаев эффект исчезает при улучшении экспериментальной установки, то есть он связан с несовершенством условий эксперимента. Это не мешает теоретикам придумывать всё новые и новые теории под не очень надёжные результаты. И их можно понять. Иногда из странной аномалии вырастает совершенно новое направление науки — а те, кто первые нашли объяснение, становятся его лидерами.

Свежими примерами громких «открытий», которые были впоследствии опровергнуты, являются нейтрино, якобы двигающиеся со скоростью выше скорости света (причиной в итоге оказалось плохое соединение кабелей), и намёк на существование необычной тяжёлой частицы, о чём сообщали в Европейском центре ядерных исследований CERN и который оказался лишённым оснований, когда было собрано больше данных. В обоих случаях теоретики успели выдвинуть десятки гипотез и выпустить сотни статей.

По этой причине большинство учёных скептически относятся к упомянутым выше работам и выводам. Ещё сильнее скепсис у тех, кто знаком с предыдущими работами той же группы экспериментаторов. Об экспериментах с бериллием-8 они сообщали ещё в 2008 и 2012 годах и оба раза «видели» некие ранее не известные частицы с разными массами. Авторы в ответ утверждают, что всегда видели одну и ту же частицу — просто правильно измерить массу не позволяли ранее имевшиеся в их распоряжении приборы.

Многим учёным также кажется подозрительным, что группа из Atomki практически не публикует статьи, в которых не было бы открытий. Не исключено, что члены группы неосознанно видят результат там, где его на самом деле нет. Для борьбы с этим эффектом в медицине при проверке эффективности лекарств применяется двойное слепое исследование, в ходе которого ни пациент, ни врач не знают, имеют они дело с лекарством или с пустышкой-плацебо. В хорошо поставленном физическом эксперименте человек, который проводит измерения или обрабатывает данные, тоже не должен знать, с чем конкретно он работает. В группе Atomki это условие, скорее всего, не выполняется.

Несмотря на скептическое отношение, возможность столь фундаментального открытия не может не будоражить умы учёных, и сразу несколько научных групп обещали в ближайшие месяцы проверить результаты венгерской команды. Если они будут подтверждены, работы венгерских специалистов могут стать самым большим научным открытием XXI века. Но всё же более вероятен вариант, что речь идёт об очередном казусе, появившемся в результате недостаточно качественно проведённого эксперимента.