Исследование темной материи: теоретик Дмитрий Горбунов делится своим мнением о Вселенной и методах ее изучения.

— Дмитрий, вы известны как эксперт в теоретической космологии. Это звучит не только красиво, но и сложно. Что привлекло вас в этой области?

— Начну с общего. Существуют наблюдения, которые не соответствуют стандартной модели физики элементарных частиц. Например, мы состоим из материи, но антиматерии вокруг нас нет — как это возможно? Таких несоответствий, указывающих на неполноту известной физики, множество. Чтобы их объяснить, нам нужно обобщить стандартную модель — предложить решение, которое, с одной стороны, продемонстрирует недостатки существующих теорий, а с другой — не будет противоречить научным данным реальности.

Я исходил именно из этого. Для меня космология — это область, где я могу использовать свою фантазию для объяснения или проверки чего-либо.

— Если вернуться в школьные годы, вы вряд ли тогда задумывались о физике элементарных частиц?

— Мне нравилась физика, но о том, какой именно областью я буду заниматься, я тогда не догадывался. Я понимал только, что теоретические исследования мне даются легче, чем эксперименты. На практических лабораторных работах у меня не всегда получалось — на бумаге результаты были гораздо лучше.

Тем не менее, мне нравились и другие предметы, особенно история — я даже думал о поступлении на исторический факультет. Поэтому не могу сказать, что, взяв в руки погремушку, сразу решил стать физиком.

Поэтому не могу сказать, что, взяв в руки погремушку, сразу решил стать физиком.

— Вы не мечтали о космосе?

— Нет. Я не хотел быть космонавтом, и сейчас, честно говоря, не хочу.

— Я имею в виду романтическую мечту.

— Я занимаюсь теоретическими моделями. Здесь тоже есть значительная возможность для фантазии, но она ограничена экспериментами и теми математическими инструментами, которые мы используем.

— Говоря о вашей работе, расскажите, как проходят будни теоретиков? Это довольно сложно представить.

— Позвольте объяснить на примере. Возьмем закон Кулона, который изучают в школе (закон Кулона описывает силу, действующую между двумя электрически заряженными частицами. — прим.ред.). Его проверяют на больших расстояниях, а на меньших — убеждаются, что он работает в любых условиях.

Но что, если мы провели эксперимент, и он показал, что закон Кулона не работает или работает иначе? Тут есть два пути. Вы можете провести аналогичный эксперимент, чтобы выяснить причину отклонения, или предложить новый закон. Или модификацию старого — дополнение к закону Кулона, которое при этом не будет противоречить предыдущим экспериментам, согласующимся с законом Кулона. Вот этот кусок — мой. Но недостаточно просто что-то придумать, нужно также понять, как проверить предсказания. Желательно использовать существующие инструменты или те, которые появятся хотя бы в ближайшие 20 лет.

Часто бывает так, что, разбираясь в проблеме, мы понимаем, что перед нами не новая физика, а проблемы с экспериментом или недооцененные неопределенности. Но также могут возникать и теоретические проблемы. У нас есть фундаментальные взаимодействия: гравитационные, электромагнитные, слабые и сильные. Если мы попытаемся описать последний тип как условную силу между двумя объектами, то в какой-то момент такое описание перестанет работать. Сила, условно, станет бесконечной. Чтобы избежать этого, можно изменить масштаб работы, так как функция взаимодействия зависит от расстояния между двумя телами. Но если на больших расстояниях у нас есть, например, протоны и нейтроны, то на малых расстояниях они начинают «рассыпаться» на составные части. А на этих расстояниях все работает совершенно иначе. Для описания таких сильных взаимодействий у нас пока не очень развит формализм.

— Как решить эту проблему?

— С помощью некоторых величин, которые мы вычисляем в результате компьютерных симуляций. Этот подход сейчас активно развивается и довольно успешно.

Представьте, что перед вами сложная поверхность — например, карта. Там горы и овраги, и вы хотите узнать, где на карте самая низкая точка. Вы можете попытаться измерить это линейкой, а можете ограничить поверхность, бросить туда шарики и немного потрясти. В конце концов, шарики упадут в область минимума и останутся там. Численные расчеты для сильных взаимодействий работают по такому же принципу, только компьютер позволяет хорошо и правильно трясти — не слишком сильно, чтобы шарик не убежал, и не слишком слабо, чтобы шарик не двигался.

— Хотела бы поговорить про одно из направлений ваших исследований. Насколько я помню, вы ищете сигнал от распадающейся темной материи? Это горячая тема, даже для далеких от науки людей. Вы даже были у Капицы на передаче «Очевидное — невероятное», где обсуждали темную материю 13 лет назад…

— И так же, как и тогда, мы не знаем, из чего состоит темная материя. Нужно сказать, что здесь мы никак не продвинулись.

— Но у вас есть довольно интересная теория о стерильном нейтрино. Вы предполагаете, что оно может быть частицей темной материи?

— Да, все верно.

— Насколько это маргинальная теория?

— Маргинальная — это когда на границе безумия?

— Давайте перефразирую. Насколько вероятно в рамках всех допущений и поправок, что стерильное нейтрино действительно может решить проблему темной материи? Есть же множество различных вариантов. Те же микроскопические черные дыры — тоже возможное решение.

— Можно сказать так: в течение длительного времени наиболее вероятными кандидатами на роль частиц темной материи считались так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы.

Когда говорят, что материя темная, это означает, что она не взаимодействует с электромагнитным излучением. Если бы взаимодействовала, мы бы легко заметили ее в телескоп и не называли бы темной. Возможно, она участвует в сильных взаимодействиях, и мы можем ее так найти? Но этот вариант, оказывается, нам не подходит. Сильные взаимодействия очень странные, их можно описать так: чем ближе частицы друг к другу, тем слабее они взаимодействуют, а чем больше они стремятся разлететься, тем сильнее притягиваются. Темная материя так себя не ведет.

Остается последний вариант — слабые взаимодействия. Они в принципе соответствуют темной материи, если считать, что есть некие частицы, которые проявляют себя исключительно в слабых взаимодействиях. Более того, если представить, что подобные объекты существовали в ранней Вселенной в плазме вместе с остальными частицами, и посчитать, сколько их должно было остаться до сегодняшнего времени, то наши оценки будут очень правдоподобными. С точностью до порядка.

Если мы ничего не придумали и просто посчитали, и все совпало, то, может, и действительно есть частица, которая участвует в известном нам слабом взаимодействии? В таком случае самый понятный кандидат для нас — нейтрино.

— Но с нейтрино, кажется, уже все понятно?

— Да, мы понимаем, как его искать. Например, сейчас есть телескопы, которые расположены очень глубоко и защищены от помех. Они ловят возмущения от слабых взаимодействий. Либо существует другой подход — когда мы ожидаем увидеть вторичные частицы, рожденные за счет слабого процесса. Тогда мы высматриваем в космических лучах признаки протонов-антипротонов, электронов-позитронов: какую-то компоненту, у которой нет астрофизического источника.

Но не все так просто. У нас есть еще одно указание на то, что физика частиц неполна, это ней