(Почти) обратимая стрела времени может привести нас к темной материи

Законы физики работают как вперед, так и назад во времени. Почему тогда кажется, что время движется лишь в одном направлении? Один из возможных ответов может также раскрыть секреты недостающей массы. Некоторые факты нашего опыта столь же очевидны и широко распространены, как различие между прошлым и будущем. Мы помним одно, но ожидаем другого. Если запустить фильм в обратном направлении, он не будет реалистичным. Мы говорим «стрела времени», имея в виду путь из прошлого в будущее.

Можно было бы предположить, что существование стрелы времени встроено в фундаментальные законы физики. Но верно и обратное. Если бы вы сняли фильм о субатомных событиях, вы бы обнаружили, что его обращенная во времени версия выглядит вполне разумно. Если более точно: фундаментальные законы физики — за исключением крошечных экзотических исключений, к которым мы еще вернемся — будут работать вне зависимости от того, поворачиваем мы рычаг времени вперед или назад. На фоне фундаментальных законов физики, стрела времени является обратимой.

Если следовать логике, преобразование, которое меняет направление времени, должно менять и фундаментальные законы. Здравый смысл подсказывает, что должно. Но не меняет. Физики используют удобное сокращение для описания этого факта. Они называют преобразование, которое обращает стрелу времени, просто T, от «time reversal». И относят тот факт, что T не меняет фундаментальные законы, к «Т-инвариантности», или «Т-симметрии».

Повседневный опыт нарушает Т-инвариантность, тогда как фундаментальные законы ее уважают. Это вопиющее несоответствие поднимает сложные вопросы. Каким образом реальный мир, фундаментальные законы которого уважают Т-симметрию, умудряется выглядеть таким асимметричным? Возможно ли такое, что однажды мы найдем существ, живущих в противоположном ритме времени — которые становятся моложе, когда мы становимся старше? Можем ли мы, с помощью некоего физического процесса, перевернуть нашу собственную стрелу времени?

Это интересные вопросы, и к ним мы еще вернемся. В этой статье Франк Вилчек, физик-теоретик Массачусетского технологического института, лауреат Нобелевской премии, решил осветить другой вопрос. Он возникает, если начинать с другого конца, в рамках общего опыта. Загадка вот в чем?

Почему фундаментальные законы имеют это проблемное и странное свойство, Т-инвариантность?

Ответ, который можно предложить сегодня, несравненно глубже и сложнее того, что мы могли предложить 50 лет назад. Сегодняшнее понимание возникло из блестящего взаимодействия экспериментального открытия и теоретического анализа, заслуживших несколько Нобелевских премий. Но в нашем ответе недостает некоторых элементов. Их поиск может привести нас к неожиданной награде: определению космологической «темной материи».

Современная история Т-инвариантности началась в 1956 году. В том году Т. Д. Ли и К. Н. Янг поставили под вопрос другую, но связанную особенность физического закона, которую до них принимали как должное. Ли и Янг не были обеспокоены самой Т, но ее пространственным аналогом, преобразованием четности P. В то время как Т включает просмотр фильмов, идущих назад во времени, P включает просмотр фильмов, отраженных в зеркале. P-инвариантность — это гипотеза о том, что события, которые вы видите в отраженных фильмах, подчиняются тем же законам, что и в оригиналах. Ли и Янг определили косвенные противоречия в этой гипотезе и предложили важный эксперимент для их проверки. За несколько месяцев эксперименты показали, что P-инвариантность нарушается во многих случаях. (P-инвариантность сохраняется для гравитационных, электромагнитных и сильных взаимодействий, но в целом нарушается для слабых взаимодействий).

Эти драматические события вокруг P-(не)инвариантности заставили физиков задуматься о Т-инвариантности, родственном допущении, которое тоже когда-то принималось за должное. Однако гипотеза Т-инвариантности пережила тщательную проверку в течение нескольких лет. И лишь в 1964 году группа под руководством Джеймса Кронина и Валентины Фитч обнаружила своеобразный, тонкий эффект в распадах К-мезонов, который нарушает Т-инвариантность.

Мудрость понимания Джона Митчелла — что «вы не знаете, что у вас есть, пока оно не уйдет» — была доказана впоследствии.

Если мы будем как маленькие дети продолжать спрашивать «почему?», мы некоторое время будем получать более глубокие ответы, но в конечном итоге достигнем дна, когда придем к истине, которую не сможем объяснить более просто. В этот момент мы объявляем победу: «Все так, как оно есть». Но если мы позже найдем исключения для нашей предполагаемой истины, этот ответ уже не будет нас удовлетворять. Мы должны двигаться дальше.

Пока Т-инвариантность будет универсальной истиной, непонятно, насколько наш вопрос, заданный в начале, будет полезен. Почему Вселенная была Т-инвариантна? Да просто так. Но после Кронина и Фитча загадку Т-инвариантности просто нельзя игнорировать.

Многие теоретические физики столкнулись с неприятной проблемой понимания того, как Т-инвариантность может быть чрезвычайно точной, но не совсем. И здесь пригодилась работа Макото Кобаяси и Тосихиде Маскава. В 1973 году они предположили, что приблизительная Т-инвариантность является случайным следствием других, более глубоких принципов.

Прошло время. Незадолго до этого нарисовались контуры современной Стандартной модели физики элементарных частиц, а вместе с ними и новый уровень прозрачности фундаментальных взаимодействий. К 1973 году был мощный — и эмпирически успешный — теоретический фреймворк, основанный на нескольких «сакральных принципах». Это относительность, квантовая механика и математическое правило однородности под названием калибровочная симметрия.

Но заставить все эти идеи работать вместе оказалось сложно. Вместе они значительно ограничивают возможности базовых взаимодействий.

Кобаяси и Маскава, в двух коротких параграфах, сделали две вещи. Во-первых, они показали, что если ограничить физику известными тогда частицами (например, если бы было всего две семьи кварков и лептонов), то все взаимодействия, позволенные сакральными принципами, также следуют Т-инвариантности. Если бы Кронин и Фитч никогда не сделали своего открытия, все было бы не так. Но они сделали, и Кобаяси с Маскавой пошли еще дальше. Они показали, что если ввести особый набор новых частиц (третье семейство), эти частицы приведут к новым взаимодействиям, приводящим к нарушениям Т-инвариантности. На первый взгляд — прям то, что доктор прописал.

В последующие годы их блестящий пример детективной работы был полностью оправдан. Новые частицы, существование которых допустили Кобаяси и Маскава, были обнаружены, а их взаимодействия оказались в точности такими, какими должны были быть.

Внимание, вопрос. Являются ли эти сакральные принципы действительно сакральными? Конечно, нет. Если эксперименты приводят к тому, что ученые должны дополнить эти принципы, они, конечно, дополнят. На текущий момент сакральные принципы смотрятся чертовски хорошо. И были достаточно плодотворными, чтобы относиться к ним серьезно.

До сих пор это была история триумфа. Вопрос, который мы поставили в начале, одна из самых сложных головоломок о том, как работает мир, получил частичный ответ: глубокий, прекрасный, плодотворный.

Но в этом яблоке есть червячок.

Через несколько лет после работы Кобаяси и Маскавы, Джерард т’Хоофт обнаружил лазейку в их объяснении Т-инвариантности. Сакральные принципы позволяют дополнительный вид взаимодействия. Возможное новое взаимодействие довольно тонкое, и открытие т’Хоофта стало сюрпризом для большинства физиков-теоретиков.

Новое взаимодействие, в случае присутствия с существенной силой, нарушило бы Т-инвариантность в гораздо более очевидной степени, чем эффект, открытый Кронином, Фитчем и их коллегами. В частности, оно позволило бы вращению нейтрона вырабатывать электрическое поле, в дополнение к магнитному полю, которое он может вызывать. (Магнитное поле вращающегося нейтрона — аналог того, что производит наша вращающаяся Земля, хотя и в совершенно других масштабах). Экспериментаторы усиленно искали такие электрические поля, но их поиски не приносили результатов.

Природа словно не хочет использовать лазейку т’Хоофта. Конечно, это ее право, но это право снова поднимает наш вопрос: почему природа так тщательно следует Т-инвариантности?

Предлагалось несколько объяснений, но только одно прошло проверку временем. Центральная идея принадлежит Роберто Пеццеи и Хелен Квинн. Их предложение, как у Кобаяси и Маскавы, включает расширение Стандартной модели особым образом. К примеру, через нейтрализующее поле, поведение которого особенно чувствительно к новому взаимодействию т’Хоофта. Если присутствует новое взаимодействие, нейтрализующее поле подстраивает собственную величину, чтобы компенсировать влияние этого взаимодействия. (Этот процесс подстройки в общем похож на то, как отрицательно заряженные электроны в твердых веществах собираются вокруг положительно заряженных примесей и экранируют их влияние). Такое нейтрализующее поле, получается, закрывает нашу лазейку.

Пеццеи и Квинн забыли о важных проверяемых последствиях своей идеи. Частицы, производимые их нейтрализующим полем — ее квантами — должны обладать замечательными свойствами. Поскольку они забыли о своих частицах, они их также и не назвали. Это позволило мне осуществить мечту детства.

За несколько лет до этого я увидел в супермаркете ярко раскрашенную коробку с названием «Аксион» (Axion). Мне показалось, что «аксион» звучит как частица и, вроде бы, таковой является. Поэтому когда я обнаружил новую частицу, которая «очищает» проблему с помощью «осевого» (axial) потока, мне показалось, что выпал шанс. (Скоро я узнал, что Стивен Вайнберг тоже обнаружил эту частицу, независимо. Он назвал ее «хигглет». К счастью, он согласился отказаться от этого названия). Так началась эпопея, заключение которой только осталось написать.

В хрониках Particle Data Group вы найдете несколько страниц, охватывающих десятки экспериментов, описывающих безуспешные поиски аксиона. Но поводы для оптимизма еще есть.

Теория аксионов предсказывает, в общих чертах, что аксионы должны быть очень легкими, очень долгоживущими частицами, которые слабо взаимодействуют с обычной материей. Но чтобы сравнивать теорию и эксперимент, нужно опираться на числа. И здесь мы сталкиваемся с двусмысленностью, поскольку существующая теория не фиксирует значение массы аксиона. Если бы мы знали массу аксиона, мы бы предсказали и остальные его свойства. Но сама масса может быть в широком промежутке значений. (Та же проблема была с очарованным кварком, частицей Хиггса, топ-кварком и несколькими другими. До обнаружения каждой из этих частиц, теория предсказала все их свойства, кроме значения массы). Оказалось, что сила взаимодействия аксиона пропорциональна его массе. Поэтому по мере уменьшения значения массы аксиона, он становится все более неуловимым.

Раньше физики были сосредоточены на моделях, в которых аксион тесно связан с частицей Хиггса. Предположили, что масса аксиона должна быть порядка 10 кэВ — одна пятидесятая массы электрона. Большинство экспериментов, о которых мы сказали ранее, искали аксион именно такого плана. В настоящее время мы можем быть уверены, что таких аксионов не существует.

И поэтому внимание обратили на гораздо меньшие значения масс аксиона, которые не были исключены экспериментально. Аксионы такого рода вполне естественно возникают в моделях, объединяющих взаимодействия в Стандартной модели. Они также возникают в теории струн.

Мы рассчитали, что аксионы должны были в изобилии производиться в течение первых моментов Большого взрыва. Если аксионы вообще существуют, то аксионная жидкость наполняет Вселенную. Происхождение аксионной жидкости грубо напоминает происхождение знаменитого космического микроволнового фона, но есть три крупных различия между двумя этими понятиями. Первое: микроволновый фон наблюдается, а аксионная жидкость остается сугубо гипотетической. Второе: поскольку аксионы обладают массой, их жидкость влияет на общую плотность массы Вселенной. По сути, мы подсчитали, что их масса должна грубо соответствовать массе, которую астрономы определили за темной материей! Третье: поскольку аксионы так слабо взаимодействуют, их должно быть сложнее наблюдать, чем фотоны реликтового излучения.

Экспериментальный поиск аксионов продолжается на нескольких фронтах. Два из самых многообещающих экспериментов нацелены на поиск аксионной жидкости. Один из них, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), использует специальные сверхчувствительные антенны для преобразования фоновых аксионов в электромагнитные импульсы. Другой, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), ищет крошечные колебания в движении ядерных спинов, которые могут быть вызваны аксионной жидкостью. Помимо этого, эти сложные эксперименты обещают покрыть почти весь диапазон возможных масс аксиона.

Существуют ли аксионы? Мы пока не знаем. Их существование привнесет в историю обратимой стрелы времени драматическое и удовлетворительное заключение, а также, возможно, решит загадку темной материи в придачу. Игра началась.

Франк Вилчек, по материалам Quanta Magazine