Мы стоим на пороге открытия, способного изменить суть наших представлений о Мире. Речь идет о природе темной материи. В последние годы астрономия сделала важнейшие шаги в наблюдательном обосновании темной материи, и сегодня существование такого вещества во Вселенной можно считать твердо установленным фактом. Особенность ситуации состоит в том, что астрономы наблюдают структуры, состоящие из неизвестного физикам вещества. Так возникала проблема идентификации физической природы этой материи.

Темная материя - не только загадка, но и ключ к решению некоторых проблем. Несмотря на то что астрономы довольно долго шли к пониманию важной роли темной материи во Вселенной, лично я осознал это весьма быстро. В 1978 г. в Калифорнийском университете в Беркли, в ходе своего первого проекта после защиты диссертации, я определял скорости орбитального движения звездообразующих гигантских молекулярных облаков во внешней части диска нашей Галактики. Разработав наиболее точный метод измерения этих скоростей, я стал наносить полученные результаты (рукой на миллиметровку!) в общей комнате астрономического факультета. В тот момент в помещении находились еще два специалиста по Галактике - Фрэнк Шу (Frank Shu) и Айвэн Кинг (Ivan King). Они наблюдали, как я строил график скоростей внешних облаков, и полученная в результате картина показала нам, что Галактика очень богата темной материей, особенно во внешних областях. Мы сидели и размышляли над природой темного вещества, но все идеи, пришедшие нам тогда в голову, оказались ошибочными.

Начало работы Большого адронного коллайдера (LHC) - важнейшее событие не только для физики элементарных частиц, но и для космологии. Вселенная полна загадок. В ней содержится вещество и нет антивещества, и спустя 40 лет после осознания того, что этот факт представляет собой нетривиальную проблему, его однозначное объяснение по-прежнему отсутствует. Во Вселенной имеется тёмная материя, и пока неизвестно, из каких частиц она состоит. Есть и тёмная энергия, и её природа тоже неизвестна. Имеются серьёзные основания надеяться на то, что LHC прольёт свет на некоторые из этих проблем, занимающих важное место в знаменитом списке В.Л. Гинзбурга.

Окружает ли нашу Землю темная материя? Нагревает ли она газовые планеты-гиганты Солнечной системы? Количество темной материи во Вселенной почти в пять раз превышает объем обычной материи. Тем не менее, она продолжает оставаться загадочной, поскольку ее нельзя наблюдать в телескоп, и она почти всегда проникает сквозь обычную материю. Астрономы узнают о существовании темной материи только на основе ее гравитационных проявлений — так, привнося дополнительную массу во вращающиеся галактики, темная материя удерживает их от разлетания. Однако прежде чем устремлять взгляд к далеким галактикам, астрономы захотели провести исследования и поближе: темная материя могла бы производить заметный эффект в нашей собственной Солнечной системе.

Считается, что сутью темной материи является ее темнота. Что-то притягивает звезды и газовые облака, заставляя их менять свою траекторию, однако при попытке обнаружить загадочный объект астрономы ничего не видят. Следовательно, что бы это ни было, оно не излучает и не поглощает свет. Более того, если бы темная материя могла взаимодействовать с излучением, галактики бы даже не сформировались: то море фотонов, которое заполняло Вселенную на ранних стадиях ее развития, бомбардировало бы материю и не давало бы ей слипаться и образовывать более или менее массивные объекты.

Состоящая из темной материи «теневая Вселенная», незримо вплетенная в нашу реальность, может обладать собственной богатой жизнью.

23 сентября 1846 г. директор Берлинской обсерватории Иоганн Готфрид Галле (Johann Gottfried Galle) получил письмо, которое изменило ход истории астрономии. Письмо пришло от француза Урбена Леверье (Urbain Le Verrier), изучавшего Уран. Ученый пришел к выводу, что движение этой планеты невозможно объяснить, учитывая только известные на тот момент гравитационные силы, а потому предположил существование дополнительного невидимого массивного объекта, возмущающего орбиту Урана образом, согласованным с наблюдениями. Следуя указаниям Леверье, Галле обнаружил планету Нептун именно там, где и предсказывала теоретическая модель.

В заключении нашего обсуждения проблемы темной материи кратко остановимся на альтернативных подходах, не вводящих в рассмотрение темную материю. Вместо этого в рамках этих подходов осуществляется модификация основных уравнений теории, таких, например, как полевые уравнения общей теории относительности, уравнения Ньютона. Начнем с так называемой модифицированной ньютоновской динамики (MOND) [64]. Эта теория позволяет объяснить наблюдаемые вращательные кривые галактик, без привлечения каких бы то ни было предположений о темной материи.

Этот обзор является продолжением:

• Темная материя. Введение
• Наблюдательные доказательства существования темной материи
• Феноменологические свойства темной материи
• Реликтовая плотность темной материи
• Детектирование темной материи - космологические наблюдения
• Темная материя - перспективы исследования на ускорителях

Ускорители частиц позволяют физикам вглядываться все далее и далее назад по времени, чтобы вернуться в мир высоких энергий – раннюю Вселенную, вскоре после Большого Взрыва. Мы можем ответить на вопрос, в самом ли деле четыре силы, которые мы наблюдаем сегодня – гравитация, электромагнитные силы, слабые и сильные – сходятся при ультравысоких энергиях к единой силе? Взаимодействие частиц при таких энергиях обеспечит первое доказательство такого объединения сил. Хотя интерес к этим  вопросам будет продолжать усиливаться по мере реализации новых наблюдений на космологических масштабах, очевидно, что удовлетворительные ответы на эти вопросы требуют фундаментального прогресса в нашем понимании микромира.

Этот обзор является продолжением:

• Темная материя. Введение
• Наблюдательные доказательства существования темной материи
• Феноменологические свойства темной материи
• Реликтовая плотность темной материи
• Детектирование темной материи - космологические наблюдения

Разделим методы детектирования темной материи на две части: методы, использующие космологические наблюдения, и эксперименты по поиску частиц-кандидатов темной материи на ускорителях. Начнем с обсуждения попыток обнаружить частицы-кандидаты в космологических наблюдениях. 

С точки зрения физики частиц, не сложно выполнить ограничения, обсужденные в предыдущем разделе. Но есть еще два неявных важных требования: 

1. частица-кандидат должна иметь время жизни, много больше хаббловского времени ~ 10 млд. лет и 
2.  космологическая плотность должна быть совместима с наблюдаемой плотностью темной материи.

Этот обзор является продолжением:

• Темная материя. Введение
• Наблюдательные доказательства существования темной материи
• Феноменологические свойства темной материи