больше легких частиц – в любом случае приводит к одному и тому же значению средней плотности, которое оказывается удивительно близким к полученной Джимом Пиблсом, Сандрой Фабер, Джоэлом Примаком и иже с ними оценке плотности темной материи во Вселенной.

Давайте остановимся и подведем итоги. Из динамики галактик следует, что материи во Вселенной больше, чем видит глаз. Характер нуклеосинтеза в ходе Большого взрыва говорит о том, что материя не может вся быть в барионной форме. К тому же небарионная материя позволяет объяснить клочковатость Вселенной при том, что распределение фонового реликтового излучения однородно. Учитывая все это, физикам есть смысл заняться поиском небарионных частиц, которые при этом должны быть нейтральными, потому что темную материю из заряженных частиц было бы легко обнаружить. Единственные известные нам нейтральные небарионные частицы – это нейтрино. Но нейтрино не годятся на роль частиц темной материи из-за слишком малой массы, и поэтому приходится искать вещество неизвестного вида. Что же это может быть? Быстродвижущиеся частицы не способны образовывать сгустки требуемых размеров для формирования галактик, а значит, темная материя должна быть холодной. Для нее замечательно подходят слабовзаимодействующие массивные частицы – если они существуют, то расчеты дают в точности требуемое значение плотности Вселенной. А теория суперсимметрии предсказывает существование одного конкретного вида вимпов – легчайшей суперсимметричной частицы, которую еще называют нейтралино.

В середине 1980-х годов стало очевидно, что следующим шагом должно стать обнаружение этой штуковины. В 1975 году в Центре Стэнфордского линейного ускорителя (теперь это Национальная ускорительная лаборатория SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) был открыт тау-лептон (короткоживущий массивный родственник электрона), а в 1983 году в ЦЕРНе на протонном суперсинхротроне (Super Proton Synchrotron) обнаружены W– и Z-бозон. А с помощью более мощного устройства получится открыть вимпы и одновременно подтвердить теорию суперсимметрии – не так ли?

К сожалению, так не получилось. Как говорил Пиблс, природа не всегда к нам благосклонна.

В середине 1980-х годов, когда их старшие коллеги прокладывали 27-километровый туннель и строили Большой электрон-позитронный коллайдер для поиска загадочных частиц, подавляющее большинство встреченных мною в ЦЕРНе физиков еще ходили в детский сад или даже еще не родились. Вимпы так и не нашлись. Потом появился гораздо более мощный Большой адронный коллайдер, а ученые все так же не могут обнаружить ни вимпы, ни какие бы то ни было подтверждения теории суперсимметрии. Открытие частицы Хиггса – конечно, огромное достижение, и, конечно же, очень увлекательно было узнать больше про причудливые частицы вроде пентакварков или про кварк-глюонную плазму, которой, возможно, была заполнена Вселенная на очень раннем этапе ее существования. Но пока что после нескольких десятилетий усилий не обнаружено никаких физических явлений, выходящих за пределы Стандартной модели, и возникает ощущение безысходности.

Будучи в ЦЕРНе, я зашел к Джону Эллису в его на удивление небольшой кабинет в отделении теоретической физики. Эллис, работавший в Центре еще с 1970-х годов, был ярым сторонником теории суперсимметрии с момента ее появления6. В 1984 году он был одним из первых физиков, показавших, что легчайшая суперсимметричная частица подходит на роль кандидата в темную материю – это было сделано в статье, написанной им совместно с Джоном Хагелином, Дмитрием Нанопулосом, Китом Олайвом и Марком Средницким7. Такие частицы до сих пор не обнаружены, но Эллис все же считает, что в качестве частиц темной материи вимпы перспективнее аксионов. А что он думает по поводу отсутствия экспериментального подтверждения?

«Значит, надо просто приложить больше усилий, – говорит Эллис. – Вимпы могут оказаться массивнее, чем мы думаем». По его мнению, проблема в том, что чудо вимпов не получится, если частицы окажутся слишком массивными. «Наши возможности ограничены. При массе около 10 ТэВ – это в 10 000 раз больше массы протона – у нас не остается никаких возможностей для маневра. Но чтобы исследовать этот диапазон масс, потребуется еще более крупный детектор, чем Большой адронный коллайдер. Я не знаю, когда мы найдем ответ».

Эллис сказал «когда», а не «найдем ли».

От предсказания нейтрино в 1930 году до его открытия в 1956-м прошло 26 лет. Открытия бозона Хиггса пришлось ждать 48 лет. Гравитационные волны – крохотные колебания самой ткани пространства-времени – были предсказаны Альбертом Эйнштейном еще в 1916 году, а открыты были спустя почти столетие в 2015-м. Да, поиски темной материи в ЦЕРНе занимают больше времени, чем ожидалось. Но отсутствие доказательства не является доказательством отсутствия. Кто знает, что обнаружит коллайдер следующего поколения. Кто знает, что обнаружится в ходе эксперимента Run3.

Быть может, в этом, собственно, и состоит проблема темной материи. Мы в точности и не знаем, что ищем, так что всегда есть повод продолжать поиски. Представьте себе, что вы ищете клад на Земле. Если бы вы знали, где в точности расположен некий таинственный город, то просто отправились бы туда и прочесали всю местность. Если город не обнаружится, то можно сделать вывод, что все это просто сказки, и прекратить поиски. Но если вы отправились в путешествие по всем морям и океанам в надежде найти волшебный остров, который может быть где угодно, то не стоит прекращать поиски только потому, что они кажутся слишком долгими. Насколько мы знаем, остров может оказаться прямо за горизонтом.

Открытие вимпов тоже может оказаться прямо за горизонтом. Лишь время покажет. Время, проницательность и настойчивость.

11. Моделирование Вселенной

В начале Вселенная была безвидна и пуста, и тьма над бездною [14].

Потом мельчайшие вариации плотности в распределении частиц темной материи начинают превращаться в трехмерную паутинообразную структуру. За этими частицами следуют атомы водорода и гелия – более привычные, но гораздо менее многочисленные; им ничего не остается, кроме как притянуться к тем же крупномасштабным структурам под действием притяжения странных невидимых частиц.

Повсюду вокруг я вижу потоки газа, струящиеся вдоль змеевидных волокон. Эти потоки в конце концов оказываются в областях повышенной плотности – там, где пересекаются «космические щупальца». Всепроникающие магнитные поля скручивают влекомые гравитацией газовые облака, которые становятся гораздо турбулентнее невидимого каркаса из темной материи, на котором они конденсируются. Сотни миллионов лет пролетают за считаные секунды, и газ начинает собираться в центральных частях более или менее сферических гало из невидимой темной материи. Медленно, но верно во Вселенной формируется новое небольшое скопление галактик.

Я вижу, как вдали, в ядре скопления крохотные карликовые галактики – следы облаков темной материи – сталкиваются и сливаются, образуя постоянно растущее целое. А тем временем прямо у меня на глазах под действием собственного тяготения происходит