De leter etter mørk materie på jorden, under jorden og i verdensrommet. Dens mystiske partikler er usynlige for vitenskapelige instrumenter og manifesterer seg ikke noe sted. Imidlertid er det samlet en solid "evidensbase" til fordel for deres eksistens. Har forskere en sjanse til å oppdage mørk materie.
En nøkkelkomponent i universet
Partikler av mørk materie ble født kort tid etter Big Bang, da universet var et glødende plasma. Da de ble avkjølt, dannet de klumper som til slutt ga fremveksten av stjerner og galakser. Hvis plasmaet bare inneholdt vanlige partikler som utgjør atomene, ville strålingen frastøte dem fra hverandre og ikke tillate dem å danne noen strukturer. Gravitasjonsbundet gjenstander dukket opp raskt nok, noe som betyr at noe hjalp dem. Noe massivt stoff holdt dem tilbake. Nå samhandler det ikke på noen måte med vanlig materie, utstråler ikke, derfor observerer vi det ikke ved noen metoder.
Dette er hvordan forskere rekonstruerer universets evolusjon, som ville være ufullstendig uten deltagelse av mørk materie. Denne konklusjonen ble nådd tilbake på 1930-tallet av den sveitsiske astronomen Fritz Zwicky. Han studerte klynger av galakser og lurte på hvorfor de ikke spredte seg. Tross alt er massen av de synlige galaksene ikke nok til å holde klyngen. Derfor må det være en skjult masse. Senere fant denne hypotesen mange bekreftelser på anomaliene i galaksers rotasjonshastigheter: delene av diskene langt fra sentrum bremser neppe, slik de ville gjort hvis de bare besto av stjerner.
Gravitasjonslinser gjør det mulig å indirekte oppdage tilstedeværelsen av skjult masse. Denne effekten er skapt av to massive galakser plassert hverandre. Lys fra en fjern galakse er bøyd av gravitasjonsfeltet til en nærliggende, og, som i en linse, vises bildet. Dette gir litt innsikt i mørk materie i galakser som danner en enorm, usynlig glorie rundt dem. Ved hjelp av forskjellige modeller beregner forskere tetthetsfordelingen av mørk materie i glorie og på denne bakgrunn gjetter om strukturen.
Til venstre - glorie av mørk materie i galaksen NGC 4555.
Kampanjevideo:
Mørk materiens sammensetning
Fysikere er tilbøyelige til å tro at mørk materie består av partikler som er ukjente for oss.
“Astrofysiske observasjonsmetoder sier ikke noe om egenskapene deres. Det er mulig at de ikke samhandler på noen måte, bortsett fra gravitasjonsmetoden. Kanskje verken direkte eksperimenter på jorden eller observasjoner i rommet vil føre til noe. Dette må man alltid huske på,”sier Dmitry Gorbunov, korresponderende medlem av det russiske vitenskapsakademiet, sjefforsker ved instituttet for kjerneforskning ved det russiske vitenskapsakademiet til RIA Novosti.
Kandidater for rollen som mørke partikler inkluderer ultralette aksjoner, svakt interagerende partikler (WIMP) og en steril nøytrino som hjelper til med å forklare massen og svingningen av solnøytrinoer.
“Den letteste sterile nøytrinoen kan godt være en partikkel av mørk materie. Den er ikke stabil, men den lever veldig lenge. I galaksen skal slike partikler forfalle til nøytrinoer og et foton. De spinner sakte (10-3 ganger lysets hastighet), så det forventes en topp i røntgenområdet i foton-spekteret, sier forskeren.
Ifølge ham skal et godt spektrometer sendes i bane for å prøve å registrere slike hendelser.
For to år siden modellerte Gorbunov og hans kolleger en av hypotesene om en ustabil komponent av mørk materie for å forklare avviket i resultatene av Planck-romteleskopeksperimentet, som målte relikviestrålingen. Kanskje dette var en feil, eller kanskje en indikasjon på noe av mørk materie. Forskere har antydet at den mørke substansen er heterogen i sammensetning, og at en del av den ikke har overlevd den dag i dag.
På jakt etter mørke partikler
Hvordan fange opp mørke materiepartikler er et av de viktigste spørsmålene i fysikk. Mange teoretikere og eksperimenter prøver å svare på det. Observasjonsmåten avhenger av modellen der alle egenskapene til den hypotetiske partikkelen er lagt. Hvis vi antar at mørk materie var i likevekt i plasmaet i det tidlige universet - og det også var vanlige partikler - betyr det at det på en eller annen måte samhandler med dem. Av alle kjente typer interaksjoner, bortsett fra gravitasjonssituasjonen, er den mest egnede den svake, som oppstår under beta-forfallet til en atomkjerne.
"Etter denne antagelsen, etter at primærplasmaet er avkjølt, gjenstår den nødvendige mengden mørk materie," forklarer Dmitry Gorbunov.
Basert på dette kan mørke partikler ødelegges med dannelsen av et elektron og en positron. De leter etter spor etter disse utslettelsene, men dette er uansett omstendighetsbevis. I tillegg er resultatene ganske uklare, partikler avbøyes, flyr rundt galaksen, tilintetgjør, mister energi, og det som når jorden er vanskelig å skille på bakgrunn av kosmiske stråler.
De prøver å observere mørke partikler direkte i underjordiske detektorer som registrerer nøytrinoer. Under bakken avtar bakgrunnen fra atmosfæriske partikler, detektorsubstansen avkjøles, og du må vente på at en mørk materiepartikkel treffer den. Disse hendelsene er sjeldne i seg selv, for hvis en partikkel interagerer, er den svak. Virkningen forårsaker eksitasjon av atomet og et utbrudd av energi, som registreres av detektoren.
Samtidig er det umulig å uendelig øke volumet av detektorsubstansen for å øke sannsynligheten for passering av mørke partikler uten tap av følsomhet. I tillegg forstyrrer nøytrinoer signalet. For å kutte den av, må du kanskje bygge en helt ny detektor for å gå under dette signalet.
“Det er nødvendig å bruke deteksjonen av partikkelens innvirkning. Dette vil undertrykke bakgrunnen betydelig, fordi nøytrinoer flyr i retning fra solen, og mørk materie vil slå i andre retninger,”spesifiserer forskeren.
Den tredje retningen er dannelsen av en mørk materiepartikkel som et resultat av kollisjonen av vanlige partikler ved LHC og andre akseleratorer. For observatøren vil det se ut som for eksempel et foton som flyr bort til siden. I henhold til loven om bevaring av momentum skal en partikkel også fly ut i den andre retningen, men det er ingen. Så hun er usynlig.
Så langt har ingen av måtene å fange mørke materiepartikler vært vellykket. Det er ikke engang klart hvem av dem som er mest lovende.
Composition of the Universe / Illustrasjon av RIA Novosti.
Tatiana Pichugina
