Так из чего же всё-таки состоит тёмная материя?

Большой адронный коллайдер так и не увидел вимпов, поэтому основной кандидат на роль главной частицы тёмной материи может уступить свои позиции аксионам или даже ещё более экзотическим претендентам.

Частицы тёмной материи (ТМ), вимпы, должны быть стабильными, нейтральными и очень редко взаимодействовать с другими видами материи. Длительное время эти требования считались наиболее выполнимыми в том случае, если ТМ представлена в основном вимпами. Согласно ряду теорий, такие вимпы — аналоги известных частиц — должны иметь тот же заряд, что и частицы барионной материи, но противоположный спин.

Рис. 1. Скопление MACSJ0717,5+3745 продемонстрировало структуру из тёмной материи общими размерами до 60 млн световых лет. Редко доказательство существования чего-либо бывает столь масштабным. (Илл. ESA).

Однако кроме периодических заявлений о возможном нахождении следов таких вимпов в тех или иных физических экспериментах, есть и проблема: Большой адронный коллайдер, наш самый совершенный ускоритель, не видит ничего в предсказанном для вимпов диапазоне — кроме, да, бозона Хиггса. Так что остаётся искать такие ТМ-частицы в космосе, где есть и более мощные БАКи.

Но и здесь не всё хорошо. Согласно теоретическим предсказаниям, вимпы почти не взаимодействуют с обычной материей. Однако должны взаимодействовать между собой, аннигилируя и порождая гамма-излучение. Проще всего найти их в карликовых галактиках — вроде тех, что окружают Млечный Путь. Обычно видимой материи там очень мало, однако по гравитационному взаимодействию с Млечным Путём выявлено, что на деле они не так маломассивны, как кажутся: в карликовых галактиках по сравнению с обычными куда больше доля тёмной материи. Кроме того, интенсивность процессов, порождающих гамма-излучение, там мала, что означает низкий фон, мешающий выявлению аннигиляции вимпов.

Именно там космический гамма-телескоп «Энрико Ферми», принадлежащий НАСА, уже три года пытается найти следы вимпов. Но безуспешно:

Даже обнаруженный недавно узкий пик в районе 130 ГэВ, локализуемый неподалёку от центра Млечного Пути, также вызывает сомнения у специалистов НАСА, так что и это недавнее свидетельство «обнаружения чего-то вроде вимпов» приходится отвергнуть.

Собственно говоря, полученные ограничения уже сейчас позволяют говорить, что вимпов — по меньшей мере для ряда значений энергий — обнаружить не удастся, поскольку их нет в природе. Конечно, ещё не всё потеряно, но уже сейчас стоит присмотреться к альтернативным кандидатам на роль «чёрной кости» тёмной материи.

Рис. 2. Для Axion Dark Matter eXperiment обещают новый апгрейд оборудования и повышенную чувствительность. Поможет ли это найти аксионы? (Илл. ADMX).

Вариантов много, однако и аксионы, которые вроде бы решают проблему дефицита лития во Вселенной, в Axion Dark Matter Experiment пока не обнаружены. Разумеется, всегда можно обратиться к частицам Калуцы — Клейна, ещё более экзотическим кандидатам в ТМ. Но стоит ли? Насколько можно понять, если они существуют, то их обнаружение даже не то что затруднительно, а скорее по силам разве что сверхцивилизациям.

И всё-таки сомнения в существовании собственно тёмной материи как небарионной, похоже, исчезают даже у самых упёртых. Дело в том, что в 2012 году группе «Хаббла» впервые удалось выявить колоссальную структуру, искажающую фоновое излучение таким образом, каким его не может искривить мыслимое количество обычной материи:

Эта находка, сделанная при помощи предварительного моделирования распределения тёмной материи во Вселенной, свидетельствует: поиски тёмной материи двигаются в верном направлении. Осталось только решить, что именно мы обнаружим в конце пути.
«Я уверен, что тёмная материя реальна, и мне нравится думать о ней как об элементарной частице, — говорит Лэнс Диксон (Lance Dixon) из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США). — Однако нам может не хватить удачи для того, чтобы эта элементарная частица стала одной из тех, что мы можем зарегистрировать [имеющимися средствами]».