Темная материя и где ее искать

Совпало так, что с Дмитрием общаемся 10 сентября, в десятую годовщину с момента запуска Большого адронного колайдера (БАК), наибольшего в мире ускорителя элементарных частиц, который в частности должен пролить свет на природу темной материи. В сущности, этим самым вопросом, но используя альтернативные методы, занимается группа научных работников Института Нильса Бора в датском Копенгагене, где кандидат физико-математических наук Дмитрий ЯКУБОВСКИЙ два с половиной года работает в статусе постдокторанта. В то же время он остается докторантом Института теоретической физики имени Николая Боголюбова НАН Украины, регулярно приезжает в Киев, чтобы и здесь проводить исследования относительно темной материи, а также читать лекции — как для студентов, так и для общественности. Собственно, во время одного из таких визитов мы и встретились. Говорили о том, что теперь известно о темной материи, а также о подходах к науке в Дании и Украине. Начали с «именинника», то есть с БАК.

О БОЛЬШОМ АДРОННОМ КОЛАЙДЕРЕ

— По сути, все детекторы Большого адронного колайдера исследуют разные характеристики разных элементарных частиц, как уже известных, так и впервые задетектированный там бозон Хиггса. Наибольшие детекторы ATLAS и CMS и детектор LHСb связаны с такими исследованиями, ALICE ближе к изучению кварк-глюонной плазмы (так называемая «жидкостная» форма существования материи, допускается, что должно наблюдаться в коротком промежутке сразу после Большого взрыва. — Авт.).

Также почти все детекторы БАК ищут следы еще неизвестных частиц, из которых, например, может складываться темная материя. Теперь никаких новых частиц они не задетектировали, что дает основания разрабатывать дальше альтернативные модели, в частности ту, с которой работаю я. Если ВАККИ не найдет ни одной частицы темной материи, очень вероятно, что модель, которую мы в настоящий момент развиваем и наблюдаем, в частности определенные экспериментальные последствия от нее, правильные.

О СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

— Направление, в котором которым работает наша группа в Дании, связано с исследованием минимального нейтринного расширения Стандартной модели физики частиц — так называемой модели νMSM. Дело в том, что в Стандартной модели есть частицы, так называемые нейтрино, которые по свойствам отличаются от всех остальных. Более того, фактически это единственные частицы, которые Стандартная модель объясняет не полностью. В частности, она не объясняет явление, которое начали наблюдать лет 25 тому назад и в 2015 году дали за это Нобелевскую премию по физике (Такааки Каджита и Артуру Макдональду. — Авт.). Это осцилляции нейтрино. Представьте, что один тип нейтрино переходит в другой и наоборот, просто во время движения. Этот процесс можно объяснить, например, с помощью квантовой механики, но с точки зрения наблюдений в физике частиц осцилляции — очень редкое и неожиданное явление. Более того, эти явления осцилляции не могут быть объяснены именно Стандартной моделью, которая с открытием бозона Хиггса (в 2012 году. — Авт.) стала краеугольным камнем физики элементарных частиц.

Уже никто не сомневается в том, что есть Стандартная модель физики элементарных частиц, которая прекрасно объясняет и электромагнитное взаимодействие, и сильное взаимодействие, — то есть, как нуклоны, отдельные частицы в ядрах, взаимодействуют между собой, и почему они держатся вместе, и слабое взаимодействие, которое ответственно за бета-распад, термоядерный синтез на Солнце — фактически, источник жизни. Даже в космосе мы не видим сильных отклонений от Стандартной модели, кроме нескольких.

Цель модели, с которой я работаю,   — описать все эти наблюдательные отклонения, вводя минимум дополнительных сущностей. Это как будто по принципу лезвия Оккама: не вводить дополнительные сущности без необходимости. Есть модели, которые вводят очень много дополнительных сущностей, как, например, суперсимметрия. Это хорошая модель, воспетая Вакарчуком и не только (группа «Океан Эльзы» в 2003 году выпустил альбом «Суперсимметрия». — Авт.), но ее проблема заключается в том, что в соответствии с ней нужно вдвое больше частиц, чем мы в настоящий момент знаем. Сейчас мы знаем десятки элементарных частиц, и каждой из них нужно найти «суперпартнера». А мы ни одного из них не видим. Если Большой адронный колайдер не найдет следы суперсимметричных частиц, то это будет говорить о том, что явления, которые мы уже наблюдаем за рамками Стандартной модели — такие, как осцилляции нейтрино — нуждаются в другом решении.

О НЕСТАНДАРТАХ В СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ

— Цель научных работников, которые работают в физике элементарных частиц, — построить модель, являющуюся полной, замкнутой и самосогласованной. То есть она должна описывать все явления, которые мы видим, — это в идеале. Все ее предсказания должны быть проверены, все новые частицы — найдены. И эта модель не должна иметь внутренних противоречий.

Путь к созданию Стандартной модели физики элементарных частиц проходил долго, по-видимому, от начала ХХ века, и здесь появлялось много проблем. Например, несамосогласованность. Известно, что сумма вероятностей должна равняться единице. Так вот, оказывается, что модель, которая впервые описала взаимодействие нейтрино, процессы бета-распада и термоядерный синтез на Солнце, на высоких энергиях предусматривала такой странный ответ, что вероятность процессов должна превышать единицу. На малых энергиях она хорошо описывает процессы, дает хорошие совпадения с экспериментом, дает вероятности меньше единицы — замечательно, пусть работает дальше. Но нужно изменить ее там, где она дает абсурдные ответы.

Есть много вещей, которых мы не понимаем просто потому, что они очень сложные. Мы можем знать элементарные законы природы и на элементарном уровне описать взаимодействия. Но, например, на высшем уровне, когда есть очень большой коллектив частиц, — нет. Например, от физики отмежевалась химия. Я продолжаю считать ее частью квантовой физики, но многие химики с этим не согласны. И они правы в том смысле, что химия — это сложная специфическая наука, где использовать законы физики очень сложно, и лучше работают другие, более обобщенные законы.

Собственно, за что дали Нобелевскую премию Вайнбергу, Салами и Глешоу — за то, что они первые сформулировали такую модель (случилось это в 1979 году. — Авт.). Это очень сложная конструкция, исследователи использовали идеи Эйнштейна, что не только гравитация может быть связана с симметриями в определенном виде пространства, но и другие типы взаимодействий. Это все было хорошо развитое и закончилось Стандартной моделью. Теперь мы видим, что Стандартная модель работает почти безукоризненно, но остаются осцилляции нейтрино и не только.

О ПРОБЛЕМАХ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ И АНТИМАТЕРИИ

— В космосе проблем со Стандартной моделью немного больше. Во-первых, проблема темной материи. Наша Вселенная, с точки зрения гравитационного взаимодействия или динамики, на одну четверть состоит из темной материи. И только на 5% — из обычного вещества. Темной материи значительно больше, мы не знаем, что это и есть гипотеза, что она состоит из частиц. Если это так, то это не те частицы, которые мы знаем — не электроны, не протоны, не фотоны, даже не обычные нейтрино. И проблема в том, как найти эти частицы.

Существуют десятки гипотез, из чего может состоять темная материя, научные работники ищут проявления этих частиц в очень разных экспериментах и не только — например, в излучении от космических объектов. Есть даже специальные детекторы, которые якобы должны зафиксировать, как частицы темной материи сталкиваются с обычным веществом под землей. То есть, мы не будем видеть темную материю, но зафиксируем этот «пинок». Соответственно, есть много моделей, которые конкурируют между собой, потому что мы не знаем, что есть правда.

Другая проблема касается антиматерии. Вот мы с вами состоим из материи, из частиц. Но еще с 1930-х годов известно, что кроме частиц есть античастицы, которые очень похожи на «наших». Если взять частицу и античастицу, поднести их близко друг к другу, они проаннигилируют и образуют много материи. Фактически, по формуле Е = mc², античастицы — это самый эффективный источник энергии. Античастиц очень мало, иначе нас с вами, по-видимому, не существовало бы, осталось бы лишь реликтовое излучение, фотоны, которые бы образовались в результате аннигиляции. Но мы видим наш мир и не видим большие следы антиматерии. Антиматерия, возможно, существует в космических лучах, среди частиц — одна на сто или на тысячу. Это достаточно неплохо, но мы не видим ни скоплений антиматерии, ни галактик из нее и тому подобное. И это проблема, потому что Стандартная модель предусматривает очень близкое количество материи и антиматерии.

Модель, которую я исследую, позволяет теоретически объяснить все эти загадки в рамках Стандартной модели. Теоретически, потому что пока мы видели лишь возможный сигнал от распада темной материи, который может быть объяснен именно этими частицами. А может — и многими другими. Мы пока в начале пути.

О ХАРАКТЕРИСТИКАХ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

— Точно известно, что темная материя существует, поскольку во Вселенной есть избыток массы. Есть эффект, который мы наблюдаем, и точно известно, что без него объяснить все, что мы видим, нельзя.

Дальше говорю в порядке уменьшение истинности. Следовательно, массу в астрономии меряют по законам гравитации. Поэтому всегда есть возможность объяснить избыток массы не новыми частицами, а тем, что вы изменяете закон гравитации. Гипотетически такая возможность есть, разработанные модели, которые это используют. Так, модель Эрика Верлинде, или модель модифицированной ньютоновской динамики, хорошо описывает наблюдение отдельных объектов или их классов, например, галактик. Но если вы посмотрите на весь объем замеченных данных, то окажется, что, например, скопление галактик эти модели описывают не так хорошо, и как минимум нуждаются в доработке. Введение новой субстанции — темной  материи — объясняет наблюдение лучше.

«ПОЧТИ ВСЕ ДЕТЕКТОРЫ БОЛЬШОГО АДРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА ИЩУТ СЛЕДЫ ЕЩЕ НЕИЗВЕСТНЫХ ЧАСТИЦ, ИЗ КОТОРЫХ, НАПРИМЕР, МОЖЕТ СОСТОЯТЬ ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ. ПОКА НИКАКИХ НОВЫХ ЧАСТИЦ ОНИ НЕ ЗАДЕТЕКТИРОВАЛИ, ЧТО ДАЕТ ОСНОВАНИЕ РАЗРАБАТЫВАТЬ ДАЛЬШЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МОДЕЛИ, В ЧАСТНОСТИ ТУ, С КОТОРОЙ РАБОТАЮ Я», — АКЦЕНТИРУЕТ ДМИТРИЙ ЯКУБОВСКИЙ

Еще менее известно. Темная материя состоит из частиц вне пределов стандартной модели, на 95% или больше — это частицы, которых мы не знаем. Не больше 5% от темной материи могут составлять обычные нейтрино. И это вызов для физики элементарных частиц — искать эти новые частицы.

Далее — что мы знаем о новых частицах. Один из основных параметров частицы — масса, и разница между самой легкой и самой тяжелой частицей-кандидатом в темную материю составляет где-то 10 в 40-й степени. Например, это гипотетически могут быть частицы очень большие, их называют вимпзилами, от «WIMP» (аббревиатура, обозначающая слабо взаимодействующую массивную частицу, тоже кандидата на роль темной материи. — Авт.) и «Годзилла». Они, возможно, будут иметь массу, которая отвечает энергии покоя в десятки джоулей. Это очень много с точки зрения элементарных частиц, при распаде таких частиц могут образоваться космические лучи с энергией в десятки джоулей  — это приблизительно так, как бросить половину кирпича со скоростью 10 метров на секунду, это наибольшая энергия космического луча, которая теперь задетектирована на Земле, и в миллиарды раз больше, чем энергия частиц, которые можно создать на БАК. Или это могут быть частицы настолько легкие, что их длина волны де Бройля должна быть в размере наименьших галактик.

О ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ

— Еще есть темная энергия, о которой мы не знаем почти ничего (гипотетически составляет три четверти Вселенной. — Авт.). Знаем лишь то, что она «ведет» себя, как антигравитация. Грубо говоря, люди увидели, что наша Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением. Если вы подбрасываете яблоко, камни, что угодно, оно, двигаясь вверх, отдаляется от Земли и всегда замедляется. А Вселенная расширяется как целое и не замедляется, а ускоряется. Известны нам взаимодействия не могут этого объяснить.

Если уравнение состояния темной энергии, которое мы знаем, будет оставаться, то, к сожалению, Вселенная будет расширяться вечно и спустя некоторое время разлетятся сначала галактики, а затем их составляющие, возможно даже атомы.

КАК ПРОВОДЯТСЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

— Все зависит от модели, но в целом используется все вместе: и теоретический расчет, включая аналитические расчеты на компьютерах, и анализ наблюдательных данных, часто в очень большом количестве. Например, БАК генерирует сотни петабайт данных на год (один петабайт — это 2 в 50-й степени байт. — Авт.), это даже в настоящий момент очень много, а десять лет тому назад это было беспрецедентно много, специально для этого придумали систему разветвленных вычислений, потому что ни один компьютерный кластер, даже наибольший, не может обработать эти данные в реальном времени.

Для нашей группы БАК не важный с точки зрения поиска темной материи, зато нам нужно смотреть на рентгеновские спектры галактик, которые наблюдаются рентгеновскими космическими телескопами, в сумме это где-то пара терабайт данных. Хотя стоимость этих телескопов сотни миллионов долларов, большинство их данных наблюдений являются доступным бесплатно для всех, кто желает их обработать. Для нас важны наблюдения, прежде всего, галактики Андромеды или нашей Галактики. Там есть много темной материи, потому что это нужно галактике, чтобы она сформировалась. Мы знаем, как темная материя распределена по небу, смотрим на разные области, определяем, сколько там должно быть темной материи, сравниваем наблюдение, проверяем, есть ли интересные сигналы.

Один из сигналов, который мы ищем, — так называемая линия излучения. В 2014 году наша группа впервые, параллельно с другой группой из Америки, задетектировала сигнал от этой линии излучения на энергии 3,5 килоэлектронвольта, что может быть объяснением распада темной материи. Соответствующая частица темной материи должна быть приблизительно в 70 раз легче электрона, и в тысячи раз тяжелее обычного нейтрино, и называется или стерильное нейтрино, или правое нейтрино, или тяжелый нейтральный лептон, в зависимости от области, в которой вы работаете.

Для наших исследований не нужны громадные группы, потому мы надеемся, что будем тем самым батальоном, который лучше стреляет. Как в поговорке, что выигрывают битву не те батальоны, где больше людей, а те, кто лучше стреляет.

ОБ ИНСТИТУТЕ НИЛЬСА БОРА

— Институт Нильса Бора появился благодаря поддержке большой компании из варки пива. Речь идет о Carlsberg, собственно, один из представителей компании предложил Нильсу Бора создать институт его имени, они профинансировали несколько корпусов. В дальнейшем финансировании института также принимали участие Рокфеллер и другие благотворители.

В настоящий момент я работаю в Дании именно за деньги фонда Carlsberg. Они поддерживают исследование из темной материи, конкретно моей группы. Не призываю пить пиво (смеется. — Авт.), но у них есть определенный бюджет, соотносимый с бюджетом НАН, который идет на разные фундаментальные исследования, которые не касаются пивоварения, химии, биотехнологий и тому подобное.

Дания — стабильная страна, со временем жизнь там только хорошеет, граждане очень уважают научную деятельность, чего нет в Украине. Хотя, возможно, все политики тяготеют к тому, чтобы выделять деньги на что-то, которое быстро дает определенную выгоду, но у Дании есть мощное лобби промышленного комплекса, там основа экономики — не нефть, зерно или курятина, а вещи с большим процентом добавленной стоимости. Из наиболее известных компаний отмечу Maersk, наибольший в мире оператор контейнерных перевозов, Lego, Novo Nordisk (производит фармацевтическую продукцию. — Авт.), тот же Carlsberg. В Дании очень развита инновационная экономика, что, к сожалению, в большой степени потеряно в Украине.

ОБ ИНСТИТУТЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ НАН УКРАИНЫ

— В Институте теоретической физики имени Николая Боголюбова есть очень сильные научные группы. Он был создан в 1960-х как элитный научный центр «под» сына председателя ЦК КПУ Петра Шелеста. Конечно, там были очень хорошие условия, туда набирали прогрессивных и молодых сотрудников со всего Советского Союза, хотели создать большой международный центр, как в российском городе Дубно или итальянском Триесте. Когда Петра Шелеста перевели в Москву, ему уже не было смысла поддерживать институт. Но начальный импульс был настолько мощным, что институт остался и в настоящий момент работает на высоком научном уровне, по хорошим европейским стандартам. Конечно, есть и проблемы, прежде всего это большое недофинансирование, часто — непонимание потребностей науки власть имущими, много бюрократии.

О РАБОТЕ В УКРАИНЕ

— Мои лекции в Украине — это в определенной степени волонтерство. Когда я был школьником и студентом и меня уже интересовала физика, мне помогало много людей — без какой-то финансовой выгоды, просто потому, что они видели в этом свою миссию. Поэтому часть в свое время я выделяю на то, чтобы доносить разным типам аудитории — студентам, аспирантам, широкой общественности, что такое наука, отчего это важно, пытаюсь объяснить сложные вещи просто. У меня был опыт преподавания школьникам-старшеклассникам, потому, возможно, мне это удается немного лучше, чем большинства научных работников. В целом, это занимает около 3—5% рабочего времени, это вовсе не обременительно.

Также, когда я в Киеве, то провожу исследования. Сегодня, например, целый день был в институте, мы с коллегой дописывали очередную статью. Моя работа в Украине связана с тем же, что и в Дании, — я ищу гипотетические частицы темной материи, признака этих частиц в данных космических наблюдений. Кстати, лучшие свои статьи на сегодня я сделал именно в Украине.

О ЛАБОРАТОРИИ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ

— Недавно вместе с моими соавторами из Института теоретической физики мы подали в Национальную академию наук проект из создания лаборатории молодых ученых. Там предусмотрено существенное по украинским меркам финансирование, которое позволит платить конкурентную зарплату, покупать оборудование и иметь возможность научных командировок за рубежом. Если мы выигрываем конкурс, это поможет существенно повысить мотивацию участников нашей группы, которые работают в Украине.

О НАЦИОНАЛЬНОМ ФОНДЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

— Отношусь к идее создания Национального фонда исследований (должен заработать с 2019 года. — Авт.) положительно. Ключевой принцип распределения финансирования, которое, к сожалению, не выполняется в Украине, заключается в том, что деньги идут за лучшими научными работниками. В НАН, как и во многих других сферах в стране, этот принцип размыт в результате компромисса между группами «стейкхолдеров».

По моему мнению, НАН — это коллективный орган. С одной стороны, это очень стабильная структура, с другой, финансирование часто «размазывают» тонким слоем всем понемногу. В результате, выделенных денег очень мало для выполнения передовых исследований, и ведущие научные работники часто не получают финансирования пропорционально их взносу в исследование. Также нет внешнего оценивания проектов. А может быть так, что в Украине человек имеет определенный административный ресурс, но за пределами страны его не знают. В передовых странах, чтобы не образовывались такие «кланы», делают независимое оценивание проектов внешними экспертами. И это «фишка» вновь созданного Национального фонда исследований, где будет внедрено такое оценивание.

Надеюсь, этот фонд действительно заработает, потому что там есть много прогрессивных вещей. В частности, в отличие от «уравниловки», планируют давать небольшое количество достаточно больших грантов передовым группам. Поэтому, даже если вы не победили в конкурсе, будет хорошая мотивация доработать заявку и направиться еще раз.

О НЕПОПУЛЯРНОСТИ ФИЗИКИ

— По моему мнению, то, что в этом году мало абитуриентов пошло на физику и математику, является следствием того, во что мы вогнали науку и сопутствующие индустрии в последние десятилетия. Когда я был ребенком, вспоминаю, большинство моих одногодков в Кривом Роге хотели стать рекетирами. В настоящий момент это будто смягчилось, большинство хочет стать юристами или экономистами, но суть не изменилась.

Абитуриенты видят, что есть специальности, на которых не нужно сильно напрягаться, можно «получить» диплом и «найти» какую-то работу. Эта проблема связана с тем, что люди, которые вкладывают свой интеллект в работу и много работают мозгами, не извлекают соответственной выгоды. Ведь научный сотрудник НАН имеет зарплату, близкую к минимальной. Возникает вопрос — зачем становиться научным работником, если можно пойти работать тем же дворником. А если поступить в университет на, скажем, туризм или выучить какой-то иностранный язык, то можно работать условным дворником в условной Польше.

Поэтому, на мой взгляд, эта проблема — следствие того, что в науке и сопутствующей наукоемкой индустрии нет достаточного количества высокооплачиваемых конкурентных рабочих мест.

О СОБСТВЕННОЙ МОТИВАЦИИ К НАУКЕ

— Я с детства любил много читать. Родители создавали такие условия, что у меня всегда было много интересных книжек, и я мог не шататься по улицам, принимать наркотики и тому подобное. Так все и пошло, меня это интересовало, я вступал в более продвинутые в смысле уровня образования учебные заведения. Например, закончил Украинский физико-математический лицей при Киевском национальном университете имени Шевченко, потом без экзаменов поступил в КНУ, потому что поехал с командой на международную олимпиаду из физики.

Кстати, участие в олимпиадах помогло мне в науке, невзирая на то, что приходилось очень сильно концентрироваться на систематическом решении класса задач, достаточно простых и удаленных от реальных научных проблем, где решение неизвестно заранее, конкурировать с небольшим количеством себе подобных. Однако, например, с точки зрения самоорганизации, этот опыт был небесполезным.

О ТОМ, ЧТО НЕЛЬЗЯ ОПИСАТЬ ЗАКОНАМИ ФИЗИКИ

— Физика — очень специфическая наука, она описывает природу в целом, определенные общие закономерности, которые можно воспроизвести. Такие науки, как космология, не совсем подпадают под это определение, потому что Вселенная одна и воспроизвести ее мы, по-видимому, не сможем, хотя и здесь есть альтернативные версии.

Есть много вещей, которых мы не понимаем просто потому, что они очень сложные. Мы можем знать элементарные законы природы и на элементарном уровне описать взаимодействия. Но, например, на высшем уровне, когда есть очень большой коллектив частиц, — нет. Например, от физики отмежевалась химия. Я продолжаю считать ее частью квантовой физики, но многие химики с этим не согласны. И они правы в том смысле, что химия — это сложная специфическая наука, где использовать законы физики очень сложно, и лучше работают другие, более обобщенные законы.

Или другая часть физики — биология. Опять-таки, биологи не привыкли считать биологию частью физики, потому что это сложная нетривиальная наука с другими законами. Точно описать с помощью уравнений Шредингера, например, как делящаяся ДНК, очень сложно. Поэтому обобщенные методы биологии тоже имеют право на существование.

Дальше идут высшие материи вне биологии, например, психология, социология, культурология. Это науки, которые на фундаментальном уровне в настоящий момент описать еще сложнее. Однако, благодаря тому, что науки между собой много пересекаются, образуются, например, социофизика, эконофизика — когда аппарат физики используют, чтобы понять закономерности социальных или экономических систем.

В настоящий момент в мире около восьми миллионов научных работников. Вероятно, это в тысячу раз больше, чем сто лет тому назад. Наука стала достаточно серьезной развитой индустрией в том смысле, который уже не может существовать одинокого индивида наподобие Эйнштейна, который работает один и озарение которого дает возможность сильно продвинуть определенную область. Часто работают большие коллективы, например, БАК — это тысячи людей, 2000 только на детекторе ATLAS. Эти научные работники действительно много работают, но каждый из них часто — над отдельными небольшими, но важными аспектами. Думаю, в мире нет человека, который знает точно, как работают все эксперименты БАК. Это настолько разные и специализированные знания, что одному человеку постичь это невозможно.