Når vi ser på universet med de kraftigste teleskopene, ser vi bare en liten brøkdel av saken, av det som burde være der. I følge resultatene av mange observasjoner er det for hvert gram vanlig synlig materie i universet minst fem gram av et usynlig stoff som kalles "mørk materie". Og til tross for flere tiårs innsats har forskere ennå ikke vært i stand til å oppdage noen direkte tegn på eksistensen av denne mørke saken.
Faktumet om tilstedeværelsen av mørk materie er kjent for forskere gjennom studiet av gravitasjonskreftene til galakser og andre supermassive romobjekter. Mengden vanlig materie som disse gjenstandene består av, er ikke nok til å skape gravitasjonskrefter som er i stand til å holde disse gjenstandene sammen. Dette betyr igjen at det i dybden av disse objektene må være en stor mengde ekstra usynlig materie, bestående av elementære partikler av nye typer som ennå ikke er oppdaget av forskere.
I naturen er det fire typer grunnleggende krefter der elementære partikler samhandler med hverandre og deres miljø. Det er krefter med sterke kjernefysiske interaksjoner, på grunn av hvilke partiklene som utgjør atomkjerner holdes. Det er krefter med svake kjernefysiske interaksjoner som tar del i prosessene for forfall av atomkjerner. Det er også krefter av elektromagnetisme som oppstår mellom partikler som har elektrisk ladning. Og til slutt er det fortsatt tyngdekrefter. For å være i stand til å observere materie direkte, kreves det at partiklene kan samhandle gjennom kreftene til elektromagnetisme, siden dette resulterer i lysfotoner eller andre typer stråling som kan oppdages med teleskoper eller andre vitenskapelige instrumenter.
Forskere har allerede flere kandidater for posisjonen til mørk materie, som hver samhandler med omverdenen på sin egen unike måte. Imidlertid er det mer sannsynlig at noen av disse kandidatene er mørke materiepartikler. Og nedenfor vil vi introdusere deg for de 5 mest sannsynlige kandidatene.
1. WIMP
WIMP-partikler (Weakly Interacting Massive Particle) er hypotetiske partikler som er fundamentalt forskjellige fra alle partikler vi kjenner til. Denne forskjellen forklarer hvorfor slike partikler er veldig vanskelige ikke bare å se, men også å registrere ved hjelp av spesialdesignede vitenskapelige instrumenter. I henhold til den eksisterende teorien penetreres hver kvadratcentimeter areal per sekund av 100 000 WIMP-partikler, men de er i stand til å samhandle med omverdenen bare gjennom kreftene til svake kjernefysiske interaksjoner og gjennom tyngdekreftene, som sikrer deres unnvikende natur.
Matematiske modeller viser at hvis WIMP-partikler eksisterer i virkeligheten, bør størrelsen være minst fem ganger større enn størrelsen på de største partiklene av vanlig materie. Og disse dataene sammenfaller med forholdet mellom vanlig og mørk materie, beregnet av forskere som bruker noen sekundære effekter. Slike partikler kan bare oppdages i sjeldne øyeblikk av deres "front-på" kollisjon med kjernene til atomer av vanlig materie, som et resultat av hvilke fotoner av lys vil bli produsert. Og nå utføres flere eksperimenter, inkludert XENON100, hvis formål er å registrere slike kollisjoner.
Kampanjevideo:
Det skal bemerkes at WIMP-partikler er gjenstand for forskning rettet mot studiet av fysikk utover standardmodellen. Likevel er muligheten for eksistensen av disse partiklene også bestemt i standardmodellen.
2. Aksjoner
Aksjoner er partikler med lav masse som beveger seg med relativt lav hastighet, og som bare er i stand til å samhandle med andre partikler gjennom kreftene til svake kjernefysiske interaksjoner. Dette gjør dem veldig vanskelige å oppdage, men utelukker ikke helt muligheten for denne påvisningen. Hvis aksjoner eksisterer, bør de forfalle og danne par av lyspartikler, fotoner, som igjen er ganske enkle å registrere ved hjelp av moderne teknologi. Og slike søk etter aksjoner utføres for tiden av flere eksperimenter, inkludert Axion Dark Matter Experimentis.
3. MACHO
MACHO er et akronym for "massivt astrofysisk kompakt haloobjekt", og disse objektene er de tidligste kandidatene for mørk materie. I motsetning til alle slags elementære partikler er MACHO-objekter kompakte, men massive kosmiske objekter, som nøytronstjerner, brune og hvite dverger, laget av vanlig materie. Imidlertid er de usynlige på grunn av en egenart - de avgir ikke lys eller stråling av noe annet slag.
Den eneste måten å observere MACHO-objekter er å registrere endringer i lysstyrken til fjerne stjerner, en transittmetode som brukes til å søke etter eksopaneter. Dessuten kan slike gjenstander bli funnet ved hjelp av gravitasjonslinser, men i hele forskningsperioden har forskere ikke mottatt pålitelig bekreftelse på eksistensen av MACHO-objekter.
4. Partikler av Kaluza-Klein
Kjernen i Kaluza-Klein-teorien er den usynlige femte dimensjonen skjult i rommet, som utfyller de tre romlige dimensjonene som vi er godt klar over, og tiden. Denne teorien var grunnlaget som den nåværende strengteorien bygger på, og den bestemmer muligheten for partikler, som godt kan være mørke materiepartikler. I følge teorien skal Kaluza-Klein-partikler ha en masse på 440-600 ganger massen av protoner, de kan samhandle med miljøet ved hjelp av kreftene til elektromagnetisme og tyngdekraft. Imidlertid kan forskere ikke se disse partiklene når de observerer universet, siden de er skjult i dypet av den femte ekstra dimensjonen.
Heldigvis kan slike partikler lett oppdages eksperimentelt, fordi de må forfalle og danne nøytrinoer og fotoner. Og forskere leter nå etter spor etter denne typen forfall under eksperimenter på Large Hadron Collider.
5. Gravitino
Teorier, som er en kombinasjon av Albert Einsteins generelle relativitet og teorien om supersymmetri, bestemmer muligheten for eksistensen av en eksotisk partikkel kalt gravitino. Teorien om supersymmetri, som er en av de mest vellykkede moderne teoriene som forklarer mange fenomener og anomalier i observasjoner, bestemmer at alle bosonpartikler, inkludert foton, har en "supersymmetrisk" partner. Når det gjelder foton, kalles denne partneren, som skiller seg fra originalen i typen vinkelmoment for rotasjon, photino. Og graviton, den hypotetiske partikkelen som bestemmer gravitasjonsfeltet, har en superpartner kalt gravitino. I følge noen modeller er gravitino-partikler veldig lette, og de er ganske egnet som kandidater for mørke materiepartikler, med et sterkt gravitasjonsfelt.
