Учебный курс о природе тёмной материи появился в НИЯУ МИФИ

С весеннего семестра в программу магистратуры кафедры экспериментальной ядерной физики и космофизики (Институт ядерной физики и технологий) введена новая учебная дисциплина с необычным названием — «Природа тёмной материи».

Учёным известно о существовании во Вселенной некоторой субстанции, которая не проявляет себя никаким образом, кроме гравитационного воздействия на привычные нам объекты, например, звёзды или галактики. В результате движение последних отличается от предсказанного в рамках динамики Ньютона, если при расчётах учитывать влияние только известного видимого вещества. Одни исследователи предположили, что этой формой материи могут быть тусклые астрофизические объекты или даже чёрные дыры. Другие предложили ввести новые гипотетические частицы, которые мы до сих пор не смогли обнаружить в прямом эксперименте, однако они могли образовываться на ранних этапах развития Вселенной и сегодня проявлять себя в виде дополнительной гравитации. Все эти объекты и были названы скрытой массой, или тёмной материей. Существует множество пока не подтверждённых гипотез о её природе и составе.

В общем энергетическом балансе Вселенной на тёмную материю приходится около 25%, что в ~5 раз больше доли привычного нам вещества, составляющего планеты, звёзды, галактики и их скопления, межзвёздную и межгалактическую среду.

Для студентов, которые выбрали предметом своих будущих исследований тёмное вещество, необходимо изучить весь спектр его проявлений в астрофизике и космологии, обладать информацией о возможных свойствах и современных результатах поиска. Безусловно, тёмная материя входит в общие курсы астрофизики, астрономии или космологии, но новая учебная дисциплина «Природа тёмной материи» собрала квинтэссенцию знаний о проявлениях тёмного вещества во Вселенной и его возможной природе.

Изложение материала приводится в 15 лекциях по 1,5 академических часа, включающих как теорию, так и решение некоторых практических задач. Информация разделена на несколько основных разделов.

1. Исторический обзор.

История тёмной материи начинается более века назад, когда учёные не только предположили, что вокруг нас существует невидимое вещество, но и попытались оценить его количество. Так, учёные Я. Каптейн и Я. Оорт в самом начале прошлого века, обнаружив упорядоченное вращение звёзд в Галактике, сравнили его с теорией Ньютона и оценили плотность тёмной материи в окрестности Солнечной системы, которая оказалась близка к определённому в наше время значению. Позднее Э. Хабблом были выполнены наблюдения движения галактик в скоплениях, интерпретацию которым дал Ф. Цвикки с привлечением дополнительного невидимого вещества, обладающего гравитацией. Более поздние наблюдения В. Рубин движения звёзд в галактиках окончательно убедили большую часть научного сообщества в существовании скрытой массы во Вселенной. Над решением загадки природы и состава скрытой массы бились многие учёные, в том числе и российские/советские. Цепочки астрономических наблюдений и следовавших за ними выводов выстраиваются в увлекательную историю, которая кратко пересказывается в данном разделе.

2. Астрономические и астрофизические проявления тёмной материи.

Присутствие тёмной материи во Вселенной лучше всего проявляется на больших масштабах, где силы гравитации доминируют над остальными фундаментальными взаимодействиями. Поэтому искать и изучать скрытую массу можно в наблюдениях динамики и эволюции различных астрофизических объектов. В разделе подробно рассказывается о астрономических/астрофизических методах и результатах наблюдений движения звёзд в галактиках, формирования галактик на разных этапах эволюции, движения галактик в скоплениях, о галактиках-призраках и сталкивающихся галактиках. Характеристики гало из тёмной материи, окружающего нашу Галактику, определяются по наблюдениям галактик-спутников, сверхскоростных или убегающих звёзд. Также обсуждаются некоторые свойства тёмной материи, которые были определены (или на них установлены ограничения) при помощи различных разновидностей эффекта гравитационного линзирования.

3. Космологические проявления тёмной материи.

Тёмная материя оказала большое влияние на эволюцию Вселенной, на формирование привычного нам облика и её крупномасштабной структуры. В отсутствие тёмной материи по-другому протекал бы процесс первичного нуклеосинтеза, а галактики и скопления не успели бы сформироваться за прошедшие с момента рождения Вселенной 13-14 млрд. лет (известно, что изначально обычное вещество было распределено в высокой степени однородно). В разделе приводятся экспериментальные результаты космологических наблюдений и теоретические следствия, приводящие к ограничениям на характеристики тёмного вещества. Обсуждаются современные численные модели эволюции Вселенной, учитывающие вклад тёмной материи в её энергетический баланс.

4. Модели тёмной материи и их экспериментальная проверка.

В разделе рассматриваются различные гипотезы о кандидатах на роль тёмной материи. Так, рассматриваются следствия многих «скрытых секторов» Стандартной модели элементарных частиц, в которых во Вселенной могут появляться новые, пока не открытые состояния, такие как аксионы, зеркальные частицы, массивные нейтрино или суперсимметричные партнёры известных частиц. Кратко рассмотрены некоторые следствия многомерных теорий пространства-времени, например, топологические дефекты (магнитные монополи, космические струны, доменные стенки). Обсуждаются и альтернативы тёмной материи, не требующие присутствия дополнительного вещества во Вселенной. При этом меняется понимание теории гравитации, предлагаются замены или модификации динамики Ньютона и общей теории относительности.

Появление такого курса продиктовано необходимостью подготовить студентов к участию в современных экспериментах по поиску гипотетических частиц тёмной материи, которые активно проводятся на различных установках на Земле и в космосе. На кафедре экспериментальной ядерной физики и космофизики совсем недавно завершился полётный этап крупного международного эксперимента PAMELA, главной задачей которого являлся поиск следов частиц тёмной материи в заряженной компоненте космических лучей. Полученный объём научных данных таков, что их обработка будет продолжаться ещё не один год. Тем не менее, на смену эксперименту PAMELA приходит другой крупный проект – ГАММА-400, предусматривающий создание гамма-обсерватории для регистрации сигнала от тёмной материи в гамма-диапазоне.

Несмотря на узкую специализацию курса, его авторы полагают, что он может быть интересен и студентам других направлений, позволив расширить их кругозор и понимание картины мира.

Преподаватели курса: профессор, д.ф.-м.н. А.М. Гальпер; доцент, к.ф.-м.н. А.Г. Майоров.