Тёмная материя наконец открыта?

Учёные обнаружили, что атомы иттербия ведут себя неожиданным образом. Это может оказаться долгожданным открытием тёмной материи и выходом на просторы новой физики. Впрочем, есть и более прозаические версии объяснения.

Открытие описано в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Напомним, что Стандартная модель физики элементарных частиц прекрасно объясняет результаты всех проведённых физических экспериментов. Но исследователи давно мечтают открыть эффект, который не укладывался бы в эту увенчанную лаврами теорию и потребовал бы создания новой физики.

Интересно, что такой эффект, похоже, давным-давно открыли астрономы. Речь идёт о тёмной материи – неизвестном веществе, которое проявляет себя только благодаря гравитации. Большинство экспертов склоняется к мысли, что тёмная материя по большей части состоит из ещё не открытых физиками-экспериментаторами частиц, не предусмотренных Стандартной моделью.

Эти частицы, говорят исследователи, крайне редко или крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом. Именно поэтому огромные детекторы, специально созданные для их «поимки», пока не осчастливили человечество долгожданным открытием.

Вместе с тем некоторые эксперты полагают, что не входящие в Стандартную модель частицы можно обнаружить, если внимательнее присмотреться к давно известным процессам. Например, к тому, как атом излучает фотоны.

Когда электрон в атоме переходит с одного энергетического уровня на другой, более низкий, он испускает фотон. При этом энергия этого фотона равна разнице между начальным и конечным энергетическими уровнями.

Для лучшего понимания сравним электрон в атоме с канарейкой в клетке, которая спрыгивает с верхней жёрдочки на более низкую, издавая при этом краткую трель. Высота звука этой песни будет зависеть от расстояния между жёрдочками.

Но у разных изотопов одного и того же химического элемента энергии уровней несколько разнятся. То есть в синей железной клетке и в красной железной клетке расстояние между жёрдочками будет немного отличаться.

Это давно изученный эффект, и Стандартная модель даёт по его поводу совершенно конкретный прогноз. Состоит он в том, что график, который называется диаграммой Кинга, должен быть практически идеальной прямой линией. Отклонения от прямой, если они и есть, должны быть чрезвычайно малыми. Неудивительно, что их никто ещё не обнаруживал.

Теперь физики из Австралии, США и Южной Кореи построили диаграмму Кинга для ионов пяти изотопов иттербия… и обнаружили отклонения от прямой.

Правда, статистическая значимость этого результата не очень высока по меркам физиков: три сигмы. Это значит, что с вероятностью 0,3% открытие может оказаться ложной тревогой, случайным наложением шумов. Это небольшой шанс, но, когда речь идёт о переписывании фундаментальных законов, учёные становятся очень придирчивыми. Стандартом для признания открытия является отметка в пять сигм, когда вероятность ложноположительного результата меньше 0,0001%.

Возможно, нейтрон в ядре испускает тёмные бозоны, которые воздействуют на электроны.
Иллюстрация J. Hur/Massachusetts Institute of Technology.

Допустим, что это отклонение от прогнозов всё-таки не ошибка эксперимента, Тогда как его объяснить?

Возможно, это открытие нового эффекта, который всё же укладывается в рамки Стандартной модели, являясь тем самым малым отклонением, о возможности которого теоретики предупреждали экспериментаторов. Но есть и более заманчивые варианты.

Например, эффект может объясняться рождением в ядре атома тёмного бозона. То есть гипотетической частицы тёмной материи, которая не входит в Стандартную модель. Как предполагают учёные, этот тёмный бозон может воздействовать на электрон в атоме, изменив его энергию.

Если эта интерпретация верна, то перед нами двойное эпохальное открытие: обнаружение частицы, не предсказанной Стандартной моделью, и объяснение природы тёмной материи.

Но пока об этом говорить рано. Прежде всего потому, что результат всё ещё может оказаться случайной ошибкой.

Кстати, другая команда физиков, также опубликовавшая свои выводы в Physical Review Letters, строила диаграмму Кинга для ионов пяти изотопов кальция. И никакого отклонения графика от прямой линии не нашла.