Tamsiosios materijos atsiradimas
Kartais atrodo, kad pati tamsioji materija atkeršija mokslininkams už neatsargumą, su kuriuo jos atradimas buvo sutiktas daugiau nei prieš 80 metų. Tada, 1933 m., Šveicarų kilmės amerikiečių astronomas Fritzas Zwicky, stebėdamas šešis šimtus galaktikų Komos klasteryje, esančiame 300 milijonų šviesmečių atstumu nuo Paukščių Tako, atrado, kad šio spiečiaus masė, nustatyta remiantis galaktikų judėjimo greičiu, yra 50 kartų didesnė už masę. apskaičiuojamas įvertinant žvaigždžių šviesumą.
- „Salik.biz“
Neturėdamas nė menkiausio supratimo, koks tai masės skirtumas, jis pateikė dabar oficialų apibrėžimą - tamsiosios medžiagos.
Labai ilgą laiką labai mažai žmonių domėjosi tamsiąja medžiaga. Astronomai tikėjo, kad paslėptos masės problemą išspręs savaime, kai bus įmanoma surinkti išsamesnę informaciją apie kosmines dujas ir labai silpnas žvaigždes. Padėtis pradėjo keistis tik po to, kai amerikiečių astronomai Vera Rubinas ir Kentas Fordas paskelbė žvaigždžių ir dujų debesų greičio matavimo rezultatus didelėje spiralinėje galaktikoje M31 - Andromedos ūke 1970 m. Nepaisant visų lūkesčių, paaiškėjo, kad toli nuo jo centro šie greičiai yra beveik pastovūs, o tai prieštaravo Niutono mechanikai ir buvo paaiškinta tik darant prielaidą, kad galaktika supa daug nematomos masės.
Kai susiduriate su reiškiniu, apie kurį nieko nežinoma, tada jam gali būti priskirta daugybė paaiškinimų, o viskas, kas liko, yra juos sutvarkyti po vieną, atmesdami nenaudingus ir išradus naujus. Be to, nėra faktas, kad tarp visų šių paaiškinimų jis bus teisingas. Netinkamą periferinių žvaigždžių elgesį galima paaiškinti judant dviem kryptimis - šiek tiek pataisant Niutono dėsnius arba pripažįstant, kad pasaulyje yra materija, kuri skiriasi nuo mūsų, kurios mes nematome, nes dalelės, iš kurių ji sudaryta, nedalyvauja elektromagnetinėje sąveikoje, tada jie neišskiria šviesos ir nesugeria jos, sąveikaudami su mūsų pasauliu tik per gravitaciją.
Ar Niutonas klydo?
Pirmoji kryptis, tai yra kontr-Niutono pataisa, vystėsi gana vangiai. Tiesa, 1983 m. Izraelio teoretikas Mordechai Milgromas sukūrė vadinamąją modifikuotą Niutono mechaniką, kurioje maži pagreičiai į veikiančią jėgą reaguoja kiek kitaip nei tai, kaip mes buvome mokomi mokykloje. Ši teorija rado daug pasekėjų ir netrukus buvo išplėtota tokiu mastu, kad tamsiųjų medžiagų poreikis išnyko. Pastebėtina, kad pati Vera Rubin, tarptautiniu mastu pripažinta tamsiosios medžiagos tyrimo pradininkė, visada buvo linkusi modifikuoti Niutono įstatymus - atrodo, kad jai tiesiog nepatiko mintis apie medžiagą, kurios gausu, bet kurios niekas niekada nematė.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Neįmanomas wimp
Yra daugybė kandidatų į tamsiosios medžiagos daleles, o daugumai jų yra apibendrinantis ir beveik beprasmis pavadinimas „WIMPs“- tai angliškas santrumpa WIMPs, suformuotas iš termino „silpnai sąveikaujančios masyviosios dalelės“arba „silpnai sąveikaujančios masyviosios dalelės“. Kitaip tariant, tai yra dalelės, kurios dalyvauja tik gravitacinėje ir silpnoje sąveikoje - jos poveikis išplečiamas į matmenis, daug mažesnius už atominio branduolio matmenis. Svarbiausios mokslininkų pastangos šiandien yra ieškomos kaip šie WIMP.
WIMP detektoriai, ypač tie, kurie juos užfiksuoja ksenonui, iš esmės yra panašūs į neutrinų spąstus. Vienu metu net buvo manoma, kad neutrinas yra labai nemandagus WIMP. Tačiau šios dalelės masė pasirodė per maža - žinoma, kad 84,5% visos visatos materijos yra tamsiosios materijos ir, remiantis skaičiavimais, šioje masėje nebus tiek daug neutrinų.
Principas yra paprastas. Tarkime, ksenonas yra sunkiausias iš tauriųjų dujų, atvėsintas iki azoto temperatūros, o geriausia - žemesnis, apsaugotas nuo nereikalingų „svečių“, tokių kaip kosminiai spinduliai, aplink ksenono indą yra įrengta daugybė fotoelementų, o visa ši sistema, esanti giliai po žeme, toliau laukti. Kadangi jūs turite ilgai laukti - pagal skaičiavimus spąsto su ksenonu, kuris sugebės užfiksuoti per jį einantį WIMP su 50 procentų tikimybe, ilgis turėtų būti 200 šviesmečių!
Čia gaudymas reiškia arba pynės skrydį šalia ksenono atomo, ir skrydį tokiu atstumu, kuriame jau veikia silpna sąveika, arba tiesioginį smūgį į branduolį. Pirmuoju atveju išorinis ksenono atomo elektronas bus išmuštas iš jo orbitos, o tai bus užfiksuota pasikeitus krūviui, antruoju atveju jis peršoks į kitą lygį ir tuoj pat grįš „namo“su paskesniu fotono, kurį vėliau užregistruoja fotokordikatoriai, emisija.
Sensacija ar klaida?
Tačiau „paprastas“nėra tinkamas žodis, kai taikomas WIMP detektoriams. Tai nėra labai lengva ir labai brangu. Vienas iš šių detektorių nekomplikuotu pavadinimu „Xenon“buvo įrengtas požeminėje Italijos Gran Sasso laboratorijoje. Iki šiol jis buvo du kartus modifikuotas ir dabar pavadintas Xenon1T. Jis kruopščiai išvalomas nuo priemaišų, kurios gali sukelti signalus, panašius į tamsiosios medžiagos signalus. Pavyzdžiui, iš vieno iš tipiškų teršalų - radioaktyvaus izotopo kriptono-85. Jo kiekis komerciniame ksenone yra tik kelios dalys iš milijono, tačiau ieškant WIMP jis yra visiškai nešvarus. Todėl, pradedant antrąja įrenginio modifikacija - „Xenon100“, fizikai papildomai išvalo ksenoną, sumažindami teršalo koncentraciją iki šimtų dalių trilijonui.
XENON100 detektorius
Nuotrauka: „Wikimedia Commons“
Ir įjungę detektorių, jie, žinoma, pasakė puoselėjamą „vos ne“. Per pirmąją 100 dienų stebėjimo sesiją mokslininkai užfiksavo net tris impulsus, labai panašius į skraidančių WIMP signalus. Jie netikėjo savimi, nors greičiausiai iš tikrųjų norėjo tikėti, tačiau tai buvo 2011 m., Jau paženklinta stipria punkcija: fizikai išsiaiškino, kad neutronai, atvežti į juos iš CERN kito eksperimento metu, skrieja didesniu nei šviesos greičiu greičiu. Mokslininkams patikrinus, atrodė, viskas, ką galima tik patikrinti, kreipėsi į mokslo bendruomenę su prašymu išsiaiškinti, kas nutiko. Kolegos žiūrėjo ir nerado klaidų, sakydami, kad taip negali būti, nes taip negali būti niekada. Ir taip įvyko: punkcija, kaip paaiškėjo, buvo tik viena jungtis su prastu kontaktu, kurią buvo sunku pastebėti.
Ir dabar, susidūrę su tokiu fiasko, mokslininkai vėl susidūrė su pasirinkimu. Jei tai yra WIMPS, tada tai yra garantuota ir neatidėliotina Nobelio premija. O jei ne? Antrą kartą jie nenorėjo būti niekinami ir pradėjo tikrinti bei tikrinti. Dėl to paaiškėjo, kad du iš trijų signalų gali būti parazitiniai signalai iš foninių teršalų atomų, kurie nebuvo visiškai pašalinti. Ir likęs signalas visai neįsivėlė į jokią statistiką, todėl geriausia būtų apie tai pamiršti ir daugiau neprisiminti.
Detektorius matė „nieko“
Dar vienas „beveik“skambėjo, kai bendradarbiavimo atstovai, dirbantys jautriausiame tamsiųjų medžiagų detektoriuje LUX (didelis požeminis ksenonas), kuris yra apleistoje aukso kasykloje Pietų Dakotos valstijoje, paskelbė pakeitę detektoriaus kalibravimą. Po to jie turėjo viltį, besiribojančią su tikrumu, kad ilgai lauktas „vos ne“pagaliau išsipildys. LUX detektorius, kuris nuo pat pirmosios egzistavimo dienos buvo daug jautresnis nei itališkas, yra dvigubai jautresnis sunkiems WIMP ir 20 kartų jautresnis plaučiams.
LUX detektorius
Nuotrauka: didelis požeminis ksenono detektorius
Per pirmąją 300 dienų stebėjimo sesiją, kuri prasidėjo 2012 m. Vasarą ir pasibaigė 2013 m. Balandžio mėn., LUX nieko nematė, net ten, kur galėjo pamatyti bent jau iš mandagumo. Jeilio universiteto Danielis McKinsey, LUX bendradarbiavimo narys, sakė: „Mes nieko nematėme, bet mes matėme tai„ nieko “geriau nei bet kas prieš mus“.
Dėl šio „nieko“iškart buvo visiškai atsisakyta kelių perspektyvių versijų, ypač kalbant apie „lengvus“WIMP. Kuris nepridėjo simpatikų bendradarbiavimo tarp tų, kurių versijas LUX atmetė. Kolegos užpuolė juos daugybe priekaištų dėl nesugebėjimo teisingai surengti eksperimento - reakcija yra gana įprasta ir laukiama.
Fizikai nieko nežino apie WIMP masę - jei jų apskritai yra. Dabar paieška atliekama masės intervale nuo 1 iki 100 GeV (protono masė yra apie 1 GeV). Daugelis mokslininkų svajoja apie WIMP, kurių masė yra šimtas protonų, nes daleles, turinčias tokią masę, pranašauja supersimetrinė teorija, kuri iš tikrųjų dar netapo teorija, o yra tik labai gražus, bet spekuliacinis modelis ir kurios daugelis prognozuoja standartinio modelio įpėdinio likimą. Tai būtų tikra dovana supersimetrijos šalininkams, ypač dabar, kai eksperimento metu „Large Hadron Collider“dar neįregistravo nė vienos numatytos dalelės.
Antroji LUX detektoriaus stebėjimo sesija, kuri baigsis kitais metais, jau pradžioje paminėtų kalibravimų dėka turėtų smarkiai padidinti detektoriaus jautrumą ir padėti pagauti įvairių masių pynutes (anksčiau LUX buvo suderinta su didžiausiu maždaug 34 GeV jautrumu), aptikti jų signalus ten, kur jie anksčiau buvo ignoruojami. Kitaip tariant, kitais metais mūsų laukia dar vienas ir labai ryžtingas „beveik“.
Jei to „beveik“neįvyksta, tada taip pat gerai: kitas LZ detektorius, kuris yra daug jautresnis, jau yra ruošiamas pakeisti LUX. Tikimasi, kad ji bus pradėta naudoti po kelerių metų. Tuo pat metu DARWIN bendradarbiaujant paruošiamas „monstras“, kurio talpa yra 25 tonos ksenono, priešais kurį LUX, turintis 370 kg dujų, atrodo „aklas“ir niekuo nenaudingas. Taigi atrodo, kad „wimpam“- jei jie egzistuos - tiesiog neturės kur slėptis, o anksčiau ar vėliau patys pasijaus. Fizikai jiems tai suteikia ne daugiau kaip dešimt metų.
Wimp ar Wrap?
Jei vantos ir toliau išlieka eliuviškos, tada vis dar egzistuoja ašis, kurią taip pat reikėtų persekioti. Aksionai yra hipotetinės dalelės, kurias 1977 m. Įvedė amerikiečių fizikai Roberto Peccei ir Helen Quinn, kad būtų galima atsikratyti kvantinės chromodinamikos. Tai, tiesą sakant, taip pat yra „Wimps“, priklausantys lengvesnių tarpsnių (silpnai sąveikaujančių plonų dalelių) pogrupiui, tačiau jie turi vieną ypatumą: esant stipriam magnetiniam laukui, jie turi indukuoti fotonus, pagal kuriuos juos galima lengvai aptikti.
Šiandien nedaug žmonių domisi ašimis ir net ne todėl, kad žmonės jomis per daug netiki, ir ne todėl, kad jų registracija yra susijusi su tam tikrais sunkumais, tiesiog todėl, kad jų paieška yra susijusi su per didelėmis išlaidomis. Tam, kad ašis galėtų pradėti virtualius fotonus paversti tikraisiais, reikalingi labai stiprūs magnetiniai laukai - įdomu, kad magnetai su reikiamais laukais jau yra. Rinkoje siūloma 18 „Tesla“magnetų, yra eksperimentinių 32 „Tesla“magnetų, tačiau tai yra labai brangios mašinos ir jų nėra lengva gauti. Be to, tie, nuo kurių priklauso tokių tyrimų finansavimas, nelabai tiki ašių egzistavimo realybe. Galbūt kada nors prireikus ieškoti ašių šie finansiniai sunkumai bus įveikti, ir iki to laiko magnetai gali atpigti.
Nepaisant neva begalinio ir bevaisio WIMP siekimo, viskas iš tikrųjų vyksta gerai. Norėdami pradėti, turite sukurti paprasčiausią ir akivaizdžiausią versiją - „wimps“. Kai jie bus rasti ir jų masė bus žinoma, fizikai turės pagalvoti apie tai, kas yra šie WIMP - ar jie iš tikrųjų yra sunkūs neutralūs, kvantiniai fotono, Z-bosono ir Higso bozono superparterių rinkiniai, kaip dabar spėja dauguma fizikų, ar kažkas tokio - kažkas kito. Jei WIMP nerandama visame galimų masių diapazone, reikės apsvarstyti alternatyvias galimybes - pavyzdžiui, ieškoti WIMP kitais būdais. Pvz., Jei tai yra garsusis Majorana fermionas, kuris pats yra antidalelė, tada susitikimas, toks fermionas turėtų sunaikinti, virsdamas radiacija ir palikdamas atmintį apie save fotonų pertekliaus pavidalu.
Jei nėra galimybės aptikti WIMP, o tai iš tikrųjų atrodo mažai tikėtina, tada bus galima atidžiau pažvelgti į galimybes naudojant modifikuotą Niutono mechaniką. Taip pat bus galima patikrinti (dar neaišku, kaip) visiškai fantastišką versiją, susijusią su septyniomis papildomų matmenų, numatytų stygų teorijos, kurie yra paslėpti nuo mūsų, nes jie yra sulenkti į Plancko dydžio rutulius. Remiantis kai kuriais tokio daugialypumo modeliais, gravitacinė jėga įsiskverbia į kiekvieną iš šių dimensijų ir todėl yra tokia silpna mūsų trimačiame pasaulyje. Tačiau tai iškelia galimybę, kad tamsiosios medžiagos yra paslėptos šiuose sulenktose dimensijose ir pasireiškia tik dėl visur esančio gravitacijos. Taip pat yra egzotiškų tamsiosios medžiagos, susijusios su kvantinių laukų topologiniais defektais, paaiškinimų,kylančio Didžiojo sprogimo metu, taip pat egzistuoja hipotezė, paaiškinanti tamsiąją materiją erdvės laiko trapumu, ir nėra abejonės, kad prireikus teoriniai fizikai sugalvos ką nors kita, ne mažiau originalų. Svarbiausia į šį sąrašą įtraukti tik teisingą paaiškinimą.