Як вчені шукають темну матерію: погляд теоретика Дмитра Горбунова на Всесвіт.

— Дмитро, ви відомі як спеціаліст у теоретичній космології. Звучить так само красиво, як і складно. Що привело вас до цієї сфери?

— Давайте почну здалеку. Є спостереження, які не вписуються в стандартну модель фізики елементарних частинок. Наприклад, ми складаємось з матерії, але антиматерії навколо нас немає — як це сталося? І подібних вказівок на те, що фізика, яку ми знаємо, неповна, дуже багато. Щоб їх пояснити, ми повинні узагальнити стандартну модель — запропонувати рішення, яке, з одного боку, покаже, чому те, що було раніше, є незадовільним, а з іншого — не буде суперечити науковим результатам, які ми отримуємо в реальності.

Я виходив саме з цього. Для мене космологія — це сфера, де я можу використовувати свою фантазію, щоб щось пояснити або перевірити.

— А якщо зробити крок назад і повернутися до школи — навряд чи ви тоді думали про фізику елементарних частинок?

— Мені подобалася фізика, але я тоді, звісно, не знав, якою сферою буду займатися врешті-решт. Єдине, що я розумів, це теоретичні дослідження мені вдаються краще, ніж експериментальні. У школі були практичні лабораторні роботи, і в мене не дуже виходило — на папері все виглядало набагато краще.

Але разом з тим мені подобалися й інші предмети. Особливо історія — я навіть думав піти на історичний факультет. Тому не можу сказати, що просто взяв і вирішив стати фізиком.

Тому не можу сказати, що просто взяв і вирішив стати фізиком.

— Про космос не мріяли?

— Ні. Космонавтом я не хотів бути, і зараз, якщо чесно, не хочу.

— Я скоріше про романтичну мрію.

— Я займаюсь теоретичними моделями. Тут, можна сказати, також є велика можливість для фантазії, але фантазія обмежена експериментом і тими математичними інструментами, які ми використовуємо.

— Раз уже ми заговорили про вашу роботу, то розкажіть, як проходять будні теоретиків? Поки що уявити досить непросто.

— Давайте поясню на прикладі. Візьмемо закон Кулона, який проходять у школі (закон Кулона описує величину сили, що діє між двома електрично зарядженими частинками. — прим.ред.). Його перевіряють на великих відстанях, на менших — переконуються, що він працює в усіх умовах. 

Але що, якщо ми провели експеримент, і він показав, що закон Кулона не працює або працює не так? Тут є два варіанти. Ви можете провести подібний експеримент, щоб знайти причину відхилення, або можете запропонувати новий закон. Або модифікацію старого — доповнення до закону Кулона, яке б при цьому не суперечило тому, що до цього експерименту всі попередні узгоджувалися з законом Кулона. Ось цей шматок — мій. Але мало придумати щось, потрібно ще зрозуміти, як перевірити прогнози. Бажано існуючими інструментами або тими, які з’являться хоча б у перспективі 20 років. 

Часто буває так, що ми починаємо розбиратися, і виявляється, що перед нами не якась нова фізика, а проблеми з самим експериментом. Або недооцінені невизначеності. Але трапляються проблеми й теоретичного характеру. От у нас є фундаментальні взаємодії: гравітаційні, електромагнітні, слабкі та сильні. Якщо ми спробуємо останній тип описати як умовну силу між двома об'єктами, то в якийсь момент такого роду опис перестане працювати. Сила, умовно, перетворюється на безкінечну. Щоб уникнути цього, можна змінити масштаб роботи, оскільки функція взаємодії пов'язана з функцією відстані між двома тілами. Але якщо на великих відстанях у нас є, наприклад, протони і нейтрони, то на малих відстанях вони починають «розпадатися» на складові частини. А там, на цих відстанях, взагалі все працює по-іншому. Для опису подібних сильних взаємодій у нас ще не зовсім розвинений формалізм.

— І як вирішити цю проблему?

— Через певні величини, які ми обчислюємо в результаті комп'ютерних симуляцій. Зараз цей підхід активно розвивається і досить успішно. 

Уявіть, що перед вами складна поверхня — нехай буде карта. Там гори, яри, і ви хочете дізнатися, де на карті найнижча точка. Ви можете спробувати виміряти це лінійкою, а можете обмежити поверхню, набросати туди кульок і трохи потрясти. І кульки врешті-решт впадуть в область мінімуму і залишаться там. Чисельні розрахунки для сильних взаємодій в багатьох аспектах працюють за таким же принципом, тільки комп'ютер дозволяє добре і правильно трясти — не дуже сильно, тому що кулька може втекти, і не дуже слабо, тому що кулька може не рухатися. 

— Хотіла б поговорити про одне з напрямків ваших досліджень. Наскільки я пам'ятаю, ви шукаєте сигнал від розпадної темної матерії? Дуже багато теорій навколо неї, це гаряча тема і для далеких від науки людей. Ви навіть ходили до Капіци на передачу «Очевидне — неймовірне», з ним теж говорили про темну матерію 13 років тому…

— І так само, як і тоді, ми не знаємо, з чого складається темна матерія. Треба сказати, що тут ми ніяк не просунулися.

— Але у вас є досить цікава теорія про стерильне нейтрино. Ваше припущення в тому, що воно може бути частинкою темної матерії?

— Так, все вірно.

— А наскільки це маргінальна теорія?

— Маргінальна — це коли на межі божевілля?

— Давайте перефразую. Наскільки взагалі в рамках усіх допущень і поправок ви самі бачите ймовірним, що стерильне нейтрино дійсно може вирішити проблему темної матерії? Бо є ж найрізноманітніші варіанти. Ті ж мікроскопічні чорні діри — теж цілком собі рішення.

— Тут можна так сказати: досить тривалий час найбільш ймовірними кандидатами на роль частинок темної матерії були так звані слабо взаємодіючі масивні частинки. 

Коли кажуть, що матерія темна, це означає, що вона не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням. Якби взаємодіяла, ми б легко її в телескоп поб