class="p1">Причина этого в том замечательном обстоятельстве, что все известные нейтрино являются «левосторонними» частицами. «Сторонность» элементарной частицы – это характеристика направления ее спина («вращения») относительно направления движения. Кварки и электроны (а также мюоны и тау-частицы) бывают как «левосторонними», так и «правосторонними», но до сих пор никто не смог обнаружить правостороннее нейтрино, что кажется несколько странным. Разве что по какой-то причине правосторонние нейтрино стерильны и поэтому необнаружимы.

Ну и, конечно, стерильные нейтрино могут замечательным образом объяснить загадку темной материи. Как мы узнали в главе 11, «нормальные» нейтрино недостаточно массивны, чтобы претендовать на роль частиц темной материи: из-за их больших скоростей (астрофизики называют такую быстро движущуюся материю «горячей») нормальные нейтрино были бы неспособны «скучиваться» в населявшие раннюю Вселенную темные гало галактических размеров. Но если масса стерильных нейтрино составляет несколько тысяч эВ, то они могут стать идеальной альтернативой вимпам. К тому же, если стерильные нейтрино окажутся «горячее» канонической холодной темной материи, которую физики безуспешно ищут уже на протяжении нескольких десятков лет, то некоторые из проблем ΛCDM-модели (см. главу 22) растают, как снег солнечным днем.

Но пока что существование стерильных нейтрино остается спорной гипотезой. В ходе некоторых нейтринных экспериментов были обнаружены косвенные намеки на возможное обнаружение необычной частицы, но они противоречат результатам других экспериментов, в том числе и данным детектора IceCube. К тому же в октябре 2021 года участники эксперимента MicroBooNE в лаборатории «Фермилаб» (Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми) Чикагского университета объявили о том, что они не обнаружили никаких свидетельств существования такой частицы. Вопрос может быть решен в результате будущих наблюдений – например, тех, что планируются после модернизации установки KATRIN или в ходе проекта «Глубокий подземный нейтринный эксперимент» (Deep Underground Neutrino Experiment, DUNE) в Южной Дакоте. Но пока что стерильные нейтрино существуют только в головах изобретательных теоретиков.

То же самое можно сказать и об аксионе – другом возможном кандидате в частицы темной метерии. В действительности в истории с аксионами есть много общего с гипотезой о стерильных нейтрино: сложные теоретические соображения в пользу существования этой частицы, многообещающая возможность того, что она позволит решить загадку темной материи, намеки на возможное обнаружение, продолжающиеся поиски и пока что отсутствие окончательного ответа. В обоих случаях некоторые ученые считают, что мы находимся на пороге долгожданного прорыва, в то время как другие видят в усиливающемся интересе к стерильным нейтрино и аксионам как кандидатам на роль темной материи лишь свидетельство отчаяния физиков и космологов, готовых ухватиться за соломинку в отсутствие положительных результатов затянувшихся на десятилетия поисков вимпов.

Аргумент в пользу существования аксионов связан с антивеществом. Естественно полагать, что огромная энергия Большого взрыва должна была породить одинаковое количество частиц и античастиц. Но по какой-то причине все сущее в современной Вселенной состоит из нормального вещества – насколько нам известно, нет никаких состоящих из антивещества галактик, звезд, планет или живых организмов. Поскольку при столкновении частиц вещества и антивещества они взаимно аннигилируют, то в законах физики должно быть скрыто малюсенькое предпочтение: на каждый миллиард античастиц природа, похоже, породила один миллиард и одну частицу обычного вещества. Это одна миллиардная часть, впоследствии скучковавшаяся в скопления галактик, планетные системы и людей. Самим нашим существованием мы обязаны этой ничтожной асимметрии.

В 1964 году физики действительно открыли очень малое отличие между тем, как слабое взаимодействие воспринимается материей и антиматерией. В частности, они обнаружили, что вероятность превращения так называемых нейтральных каонов в соответствующие им античастицы (которое происходит посредством слабого взаимодействия) чуточку меньше вероятности обратного процесса. Это весьма удивительное свойство природы физики называют нарушением CP-симметрии, где C и P означают, соответственно, заряд и четность. Сам по себе этот эффект слишком незначителен, чтобы объяснить асимметрию в представленности материи и антиматерии во Вселенной, но если нарушение этой фундаментальной симметрии происходит также и при сильном взаимодействии, то тайну можно считать раскрытой.

И в этом как раз могут помочь аксионы. Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, нарушение CP-симметрии возможно как при слабом, так и при сильном взаимодействии. Но несмотря на очень активные и целенаправленные поиски такое нарушение для сильного взаимодействия до сих пор никем не наблюдалось – это так называемая сильная CP-проблема. Выглядит так, будто эффект нарушения CP при сильных взаимодействиях подавляется неким новым полем – такую гипотезу высказали в 1977 году Роберто Печчеи и Хелен Квинн6. А если такое поле существует, то должна существовать и соответствующая ему элементарная частица – невидимый аксион. (Это чем-то напоминает ситуацию с полем Хиггса, которое было предложено для объяснения наличия у частиц массы. Связанная с полем Хиггса элементарная частица была открыта в ЦЕРНе в 2012 году.)

Название «аксион» напоминает марку стирального порошка. Дело в том, что американский физик Фрэнк Вильчек назвал эту частицу по торговой марке средства для замачивания и стирки, на которую он наткнулся в 1978 году в рекламном объявлении, где оно подавалось как «безопасный отбеливатель для любой стирки». Вот так же и новая частица должна была «отбелить» сильную CP-проблему. (Кстати, греческое слово axios означает «достойный»).

Прошло уже более 40 лет после того, как Вильчек придумал для частицы запоминающееся название, но до сих пор никто не знает, существуют ли аксионы в действительности. Если да, то они должны быть очень легкими – даже легче, чем «обычные» нейтрино. В энергетических единицах масса аксиона может составлять несколько микроэлектронвольт, при том что масса протона равна около 1 ГэВ, а масса электрона – 511 кэВ.

Ну а могут ли они претендовать на роль темной материи? Теоретически аксионы стабильны, лишены электрического заряда и так же, как стерильные нейтрино, практически ни с чем не взаимодействуют – это три главных свойства, которыми обязательно должна обладать любая частица темной материи. К тому же, если аксионы существуют, то, согласно теории, их должно быть невероятно огромное количество. В каждом кубическом сантиметре космического пространства должно содержаться в среднем несколько десятков триллионов аксионов. Поэтому, несмотря на невероятно малую массу аксионов, большая часть Вселенной действительно может состоять из этих частиц – все благодаря их невообразимо большому количеству.

Но подождите – если масса аксиона настолько мала, то разве они должны двигаться с релятивистскими скоростями, так же, как и обычные нейтрино? Как мы уже поняли, нейтрино не могут быть основным компонентом темной материи во Вселенной потому, что они «горячие» и не могут «скучиваться» в небольшого размера структуры. Если так, то чем же лучше аксионы? Дело тут в различии процесса образования этих частиц. В отличие от нейтрино (и вимпов)