Fremveksten av mørk materie
Noen ganger ser det ut til at det er mørk materie i seg selv som hevner seg på forskere for den uoppmerksomhet som oppdagelsen ble møtt for mer enn 80 år siden. Så, i 1933, oppdaget den amerikanske astronomen av sveitsisk opprinnelse Fritz Zwicky, som observerte seks hundre galakser i Coma-klyngen som ligger 300 millioner lysår fra Melkeveien, at massen til denne klyngen, bestemt ut fra bevegelseshastigheten til galakser, er 50 ganger større enn massen beregnet ved å estimere stjerners lysstyrke.
Han hadde ikke den minste anelse om hva denne masseforskjellen er, og ga den den nå offisielle definisjonen - mørk materie.
I veldig lang tid var veldig få mennesker interessert i mørk materie. Astronomer trodde at problemet med skjult masse ville løses av seg selv når det var mulig å samle mer fullstendig informasjon om kosmisk gass og veldig svake stjerner. Situasjonen begynte å endre seg først etter at de amerikanske astronomene Vera Rubin og Kent Ford publiserte resultatene fra målinger av hastighetene til stjerner og gassskyer i den store spiralgalaksen M31 - Andromeda-tåken i 1970. Mot all forventning viste det seg at langt fra sentrum er disse hastighetene tilnærmet konstante, noe som stred mot Newtonsk mekanikk og fikk en forklaring bare under antakelsen om at galaksen er omgitt av en stor mengde usynlig masse.
Når du kommer over et fenomen som ingenting er kjent med, kan et stort antall forklaringer tilskrives det, og det gjenstår bare å sortere gjennom dem etter hverandre, avvise de unyttige og oppfinne nye underveis. Dessuten er det ikke et faktum at det blant alle disse forklaringene vil være riktig. Perifert stjerners upassende oppførsel kunne forklares ved å bevege seg i to retninger - ved å korrigere Newtons lover eller erkjenne at det er materie i verden som er forskjellig fra vår, som vi ikke ser, fordi partiklene som den er sammensatt av ikke deltar i elektromagnetisk interaksjon, da de avgir ikke lys og tar ikke opp det, og samhandler bare med vår verden gjennom tyngdekraften.
Var Newton feil?
Den første retningen, det vil si mot-newtonsk korreksjon, utviklet seg ganske tregt. Riktig nok, i 1983 opprettet den israelske teoretikeren Mordechai Milgrom den såkalte modifiserte Newtonske mekanikken, der små akselerasjoner reagerer på en fungerende kraft noe annerledes enn måten vi ble lært opp på skolen. Denne teorien fant mange tilhengere og ble snart utviklet i en slik grad at behovet for mørk materie forsvant. Det er bemerkelsesverdig at Vera Rubin selv, en verdenskjent pioner innen studiet av mørk materie, alltid har vært tilbøyelig til endring av Newtons lover - det ser ut til at hun rett og slett ikke likte ideen om et stoff som er rikelig, men som ingen noen gang har sett.
Salgsfremmende video:
Den unnvikende wimpen
Det er mange kandidater for mørkstoffpartikler, og for de fleste av dem er det et generaliserende og nesten meningsløst navn "WIMPs" - dette er den engelske forkortelsen WIMPs, avledet fra begrepet "Weakly Interacting Massive Particles", eller "svakt samvirkende massive partikler". Med andre ord, dette er partikler som bare deltar i gravitasjons- og svake interaksjoner - dens virkning strekker seg til dimensjoner som er mye mindre enn dimensjonene til atomkjernen. Det er på jakt etter disse WIMP-ene som den mest suggererende forklaringen som forskernes viktigste innsats rettes mot i dag.
WIMP-detektorer, spesielt de som fanger dem for xenon, ligner i prinsippet nøytrino-feller. På en gang ble det til og med antatt at nøytrinoen er den veldig unnvikende WIMP. Men massen til denne partikkelen viste seg å være for liten - det er kjent at 84,5% av all materie i universet er mørk materie, og ifølge beregninger vil det ikke være så mange nøytrinoer i denne massen.
Prinsippet er enkelt. Ta, si, xenon som den tyngste av edle gasser, avkjølt til nitrogentemperaturer, og helst lavere, beskyttet mot unødvendige "gjester" som kosmiske stråler, det er installert en masse fotoceller rundt xenonfartøyet, og hele dette systemet, som ligger dypt under jorden fortsetter å vente. Fordi du må vente lenge - ifølge beregninger, bør lengden på en felle med xenon, som vil kunne fange en WIMP som passerer den med 50 prosent sannsynlighet, være 200 lysår!
Her menes fangst enten flykten av wimpen nær xenonatomet, og flukten i en slik avstand hvor det svake samspillet allerede fungerer, eller et direkte treff i kjernen. I det første tilfellet blir det ytre elektronet til xenonatomet slått ut av sin bane, som blir registrert av endringsladningen, i det andre vil det hoppe til et annet nivå og umiddelbart returnere "hjem" med den påfølgende utslipp av et foton, som deretter blir registrert av fotomultiplikatorer.
Sensasjon eller feil?
Imidlertid er “enkelt” ikke helt det rette ordet når det brukes på WIMP-detektorer. Det er ikke veldig enkelt og veldig dyrt. En av disse detektorene under det ukompliserte navnet Xenon ble installert i det underjordiske italienske laboratoriet til Gran Sasso. Til dags dato har den blitt endret to ganger og bærer nå navnet Xenon1T. Det er grundig renset for urenheter som kan føre til signaler som ligner signaler fra mørk materie. For eksempel fra et av de typiske miljøgiftene - den radioaktive isotopen krypton-85. Innholdet i kommersiell xenon er bare noen få deler per million, men når du leter etter WIMP-er er det fullstendig skittent. Fra og med den andre modifiseringen av installasjonen - Xenon100 - renser fysikere i tillegg xenon, og reduserer forurensningskonsentrasjonen til hundrevis av deler per billion.
XENON100 detektor
Foto: Wikimedia Commons
Og når de slo på detektoren, sa de selvfølgelig den elskede "omtrent." Under den første 100-dagers observasjonsøkten registrerte forskere så mange som tre impulser, veldig lik signalene fra flygende WIMP-er. De trodde ikke på seg selv, selv om de sannsynligvis virkelig ønsket å tro, men det var 2011, allerede preget av en sterk punktering: Fysikere oppdaget at nøytrinoer som ankom dem fra CERN i løpet av et annet eksperiment, flyr med en hastighet som overskrider lysets hastighet. Forskere, etter å ha sjekket, syntes det, om alt som bare kan verifiseres, henvendte seg til det vitenskapelige samfunnet med en forespørsel om å se hva som gikk galt. Kollegene så og kunne ikke finne feil, og sa imidlertid at dette ikke kunne være, fordi det aldri kunne være det. Og slik skjedde det: punkteringen, som det viste seg, var bare en kontakt med dårlig kontakt, noe som var vanskelig å legge merke til.
Og nå, under tyngden av et slikt fiasko, sto forskere igjen overfor et valg. Hvis dette er WIMPS, er dette en garantert Nobelpris, og en umiddelbar. Og hvis ikke? Andre gang ønsket de ikke å bli vanæret, og de begynte å sjekke og sjekke på nytt. Som et resultat viste det seg at to av de tre signalene godt kan være parasittiske signaler fra forurensende atomer i bakgrunnen, som ikke ble eliminert fullstendig. Og det gjenværende signalet kom ikke i statistikk i det hele tatt, så det beste ville være å glemme det og ikke huske mer.
Detektoren så "ingenting"
En annen "omtrent" hørtes da representanter for samarbeidet som arbeidet med den mest følsomme detektoren for mørk materie LUX (Large Underground Xenon), som ligger i en forlatt gullgruve i South Dakota, kunngjorde at de hadde endret detektorens kalibrering. Etter det hadde de et håp, grenser til visshet, om at den etterlengtede "omtrent" endelig skulle gå i oppfyllelse. LUX-detektoren, som fra første dag av sin eksistens var mye mer følsom enn den italienske, er dobbelt så følsom for alvorlige WIMP-er og 20 ganger så følsom for lunger.
LUX-detektor
Foto: Stor underjordisk Xenon-detektor
Under den første 300-dagers observasjonsøkten, som begynte sommeren 2012 og ble avsluttet i april 2013, så ikke LUX noe, selv ikke der det kunne se noe i det minste av høflighet. Som Yale Universitys Daniel McKinsey, medlem av LUX-samarbeidet, sa: "Vi så ingenting, men vi så dette 'ingenting' bedre enn noen foran oss."
Som et resultat av dette "ingenting" ble flere lovende versjoner fullstendig kastet på en gang, spesielt i forhold til "lette" WIMP-er. Noe som ikke bidro til samarbeidet fra sympatisører fra dem hvis versjoner ble avvist av LUX. Kolleger angrep dem med en hel haug bebreidelser for deres manglende evne til å sette opp eksperimentet riktig - reaksjonen er ganske standard og forventet.
Fysikere vet absolutt ingenting om massen av WIMP-er - hvis de i det hele tatt eksisterer. Nå blir søket utført i massområdet fra 1 til 100 GeV (protonmassen er omtrent 1 GeV). Mange forskere drømmer om WIMPs med en masse på hundre protoner, fordi partikler med en slik masse er spådd av den supersymmetriske teorien, som faktisk ikke har blitt en teori ennå, men bare er en veldig vakker, men spekulativ modell og som mange forutsier skjebnen til etterfølgeren til Standardmodellen. Dette ville være en skikkelig gave til tilhengerne av supersymmetri, spesielt nå, når eksperimentet på Large Hadron Collider ennå ikke har registrert noen av partiklene det spådde.
Den andre observasjonsøkten på LUX-detektoren, som avsluttes neste år, bør, takket være kalibreringene som allerede er nevnt i begynnelsen, øke detektorens følsomhet og bidra til å fange wimps av forskjellige masser (tidligere var LUX innstilt til den høyeste følsomheten på omtrent 34 GeV), og oppdaget signalene der de ble tidligere ignorert. Med andre ord, neste år venter en og veldig avgjørende "omtrent" oss.
Hvis dette "omtrent" ikke skjer, er det også greit: neste LZ-detektor, som er mye mer følsom, er allerede i gang med å erstatte LUX. Det forventes å bli lansert flere år senere. Samtidig forbereder DARWIN-samarbeidet et "monster" med en kapasitet på 25 tonn xenon, foran som LUX med sine 370 kg gass virker "blind" og ubrukelig for noe. Så det ser ut som wimpam - hvis de eksisterer - rett og slett ikke har noen steder å gjemme seg, og før eller siden vil de gjøre seg gjeldende. Fysikere gir dem ikke mer enn ti år for dette.
Wimp eller wisp?
Hvis wimps fortsetter å fortsette i unnvikeligheten, er det fremdeles en aksjon, som også bør jages. Aksjoner er hypotetiske partikler introdusert i 1977 av de amerikanske fysikerne Roberto Peccei og Helen Quinn for å kvitte seg med kvante kromodynamikk fra noen symmetribrudd. Dette er faktisk også Wimps, som tilhører underkategorien lettere wirps (Weakly Interacting Slim Particles), men de har en særegenhet: I et sterkt magnetfelt må de indusere fotoner som de lett kan oppdages.
I dag er det få som er interessert i aksjoner, og ikke engang fordi folk ikke tror på dem for mye, og ikke fordi deres registrering er forbundet med noen spesielle vansker, er det bare at søket deres er forbundet med for høye utgifter. For at aksjonen skal begynne å konvertere virtuelle fotoner til reelle, er det veldig sterke magnetfelt som trengs - interessant nok, magneter med de nødvendige feltene finnes allerede. Markedet tilbyr 18 Tesla-magneter, det er eksperimentelle 32 Tesla-magneter, men dette er veldig dyre maskiner og ikke lett å få. I tillegg tror de som finansieringen av slik forskning ikke er avhengige av på virkeligheten av eksistensen av aksjoner. Kanskje en dag vil behovet for å søke etter aksjoner gjøre disse økonomiske vanskelighetene overkommelige, og innen den tid kan magnetene bli billigere.
Til tross for den tilsynelatende uendelige og fruktløse jakten på WIMP-er, går ting faktisk bra. Til å begynne med må du finne frem den enkleste og mest åpenbare versjonen - wimps. Når de blir funnet, og massen deres er kjent, vil fysikere måtte tenke på hva disse WIMP-ene er - er de virkelig tunge nøytraloer, et kvantesett av superpartnere til fotonet, Z-boson og Higgs boson, som de fleste fysikere nå antar, eller noe- noe annet. Hvis WIMP-er ikke finnes i hele spekteret av mulige masser, vil det være nødvendig å vurdere alternative alternativer - for eksempel se etter WIMP-er på andre måter. For eksempel, hvis dette er den berømte Majorana fermion, som i seg selv er et antipartikkel, bør møte, slike fermioner utslette, bli til stråling og etterlate et minne om seg selv i form av et overskudd av fotoner.
Hvis det ikke er noen måte å oppdage WIMP-er, som faktisk virker usannsynlig, vil det være mulig å se nærmere på alternativene med modifisert Newtonsk mekanikk. Det vil også være mulig å sjekke (det er foreløpig ikke klart hvordan) en helt fantastisk versjon assosiert med de syv tilleggsdimensjonene som er forutsagt av strengteori, som er skjult for oss, siden de er krøllet opp til baller i størrelse. I følge noen av modellene for slik flerdimensjonalitet, trenger gravitasjonskraft inn i hver av disse dimensjonene og er derfor så svak i vår tredimensjonale verden. Dette hever imidlertid muligheten for at mørk materie er skjult i disse sammenkaplede dimensjonene og manifesterer seg bare takket være den allestedsnærværende tyngdekraften. Det er også eksotiske forklaringer på mørk materie assosiert med topologiske defekter av kvantefelt,som oppstår under Big Bang, foreligger det også en hypotese som forklarer mørk materie ved romtidens brudd, og det er ingen tvil om at om nødvendig vil teoretiske fysikere komme med noe annet ikke mindre originalt. Det viktigste er å legge den eneste riktige forklaringen til denne listen.
