A sötét anyag megjelenése
Néha úgy tűnik, hogy maga a sötét anyag bosszút áll a tudósoknak azon figyelmetlenség miatt, amellyel felfedezésével több mint 80 évvel ezelőtt találkoztak. Aztán 1933-ban, a svájci származású amerikai csillagász, Fritz Zwicky, a Tejúttól 300 millió fényévre fekvő Coma klaszter hatszáz galaxisát megfigyelve rájött, hogy ennek a klaszternek a galaxisok mozgási sebessége alapján meghatározott tömege 50-szer nagyobb, mint a tömeg a csillagok fényességének becslésével számítják ki.
Fogalma sem volt róla, hogy mi ez a tömegkülönbség, ezért megadta a most hivatalos meghatározást - a sötét anyag.
Nagyon hosszú ideig nagyon kevés ember érdekelt a sötét anyag iránt. A csillagászok úgy vélték, hogy a rejtett tömeg problémája önmagában oldódik meg, amikor teljesebb információkat lehet gyűjteni a kozmikus gázról és a nagyon halvány csillagokról. A helyzet csak akkor kezdett megváltozni, amikor Vera Rubin és Kent Ford amerikai csillagászok közzétették a csillagok és a gázfelhők sebességének mérési eredményeit az M31 nagy spirális galaxisban - az Andromeda ködben. Minden várakozás ellenére kiderült, hogy a központtól messze nem felel meg ezeknek a sebességeknek, amelyek ellentmondtak a newtoni mechanikának, és csak azzal a feltételezéssel kaptak magyarázatot, hogy a galaxist nagy mennyiségű láthatatlan tömeg veszi körül.
Ha olyan jelenséggel találkozik, amelyről semmi sem ismert, akkor nagyszámú magyarázatot tulajdoníthat neki, és csak a feladatot kell egymás után rendezni, elutasítva a haszontalanokat és újakat feltalálva. Sőt, nem tény, hogy a fenti magyarázatok között helyes lesz. A perifériás csillagok helytelen viselkedése két irányba mozgatásával magyarázható - Newton törvényeinek kissé javításával vagy annak felismerésével, hogy a világban van olyan anyag, amely különbözik a miénktől, amelyet nem látunk, mert a felépített részecskék nem vesznek részt az elektromágneses interakcióban, majd nem bocsátanak ki fényt és nem absorbálják azt, csak a gravitáció révén lépnek kölcsönhatásba a világunkkal.
Rossz volt Newton?
Az első irány, azaz a newtoni ellenes korrekció meglehetősen lassan fejlődött ki. Igaz, 1983-ban, Mordechai Milgrom izraeli teoretikus létrehozta az úgynevezett módosított Newtoni mechanikát, amelyben a kis gyorsulások valamilyen módon eltérnek a hatóerőtől, mint amire az iskolában tanítottak. Ez az elmélet sok követőt talált és hamarosan olyan mértékben fejlesztette ki, hogy a sötét anyag iránti igény megszűnt. Figyelemre méltó, hogy maga Vera Rubin, a sötét anyag vizsgálatának világhírű úttörője mindig is hajlandó volt Newton törvényeinek módosítására - úgy tűnik, hogy egyszerűen nem tetszett neki egy olyan anyag gondolata, amely bőséges, de amelyet soha senki nem látott.
Promóciós videó:
A megfoghatatlan wimp
Sok jelölt van a sötét anyag részecskéire, és többségükre egy általánosító és szinte értelmetlen "WIMP" név van - ez a WIMP angol rövidítés, amelyet a "Gyengén interakcionáló masszív részecskék", vagy "gyengén kölcsönhatásban lévő hatalmas részecskék" kifejezésből származnak. Más szavakkal, ezek olyan részecskék, amelyek csak a gravitációs és a gyenge kölcsönhatásokban vesznek részt - hatása sokkal kisebb méretekre terjed ki, mint az atommag mérete. A tudósok legfőbb erőfeszítéseit ezeknek a WIMP-knek a keresése jelenti a leginkább szuggesztív magyarázatként.
A WIMP detektorok, különösen azok, amelyek xenonértékeket fognak rájuk, elvben hasonlítanak a neutrinócsapdákhoz. Egyszer azt is hitték, hogy a neutrinó a legmeghatóbb WIMP. De ennek a részecskéknek a tömege kicsinek bizonyult - ismert, hogy az univerzumban az összes anyag 84,5% -a sötét anyag, és számítások szerint ezen a tömegen nem lesz annyi neutrinó.
Az elv egyszerű. Tegyük fel például a xenont mint a legnehezebb nemesgázokat, nitrogénhőmérsékletre lehűtve, és lehetőleg alacsonyabb hőmérsékleten, védve a szükségtelen "vendégektől", mint például a kozmikus sugarak., várni kell. Mivel hosszú ideig kell várakoznia - számítások szerint a xenonnal felszerelt csapda hosszának, amely 50% -os valószínűséggel képes megragadni rajta áthaladó WIMP-t, 200 fényévnek kell lennie!
Az elfogás alatt vagy a wimp repülését a xenon atom közelében repülik, és olyan távolságú repülést, amelyen a gyenge interakció már működik, vagy egy közvetlen behatolást a sejtmagba. Az első esetben a xenon atom külső elektronját kikerülik pályájáról, amelyet a töltésváltozás regisztrál, második esetben pedig egy másik szintre ugrik, és azonnal visszatér haza az ezt követő fotonkibocsátással, amelyet azután a fotoelektronikus szorzók regisztrálnak.
Érzés vagy hiba?
Az „egyszerű” azonban nem elég a megfelelő szó, ha a WIMP érzékelőkre alkalmazzák. Ez nem túl könnyű és nagyon drága. A detektorok egyikét, a Xenon egyszerű név alatt, a Gran Sasso föld alatti olasz laboratóriumába telepítették. A mai napig kétszer módosították, és most Xenon1T névvel viseli. Alaposan megtisztítja a szennyeződésektől, amelyek a sötét anyagból származó jelekhez hasonló jelekhez vezethetnek. Például az egyik tipikus szennyező anyagból - a radioaktív izotóp kripton-85. Tartalma a kereskedelmi xenonban csak néhány milliomod rész, ám amikor a WIMP-ket keresik, az teljesen mocskos. Ezért a létesítmény második módosításával - a Xenon100-val kezdve - a fizikusok ezenkívül tisztítják a xenont is, csökkentve a szennyező anyag koncentrációját trillióra eső részek százaira.
XENON100 detektor
Fotó: Wikimedia Commons
És bekapcsolva az érzékelőt, természetesen, mondták a dédelgetett "majdnem". Az első 100 napos megfigyelési ülés során a tudósok akár három impulzust is felvették, nagyon hasonlóan a repülő WIMP jeleiből. Nem hitték magukat, bár valószínűleg igazán akartak hinni, de a 2011-es évet már erőteljes szúrás jellemezte: a fizikusok rájöttek, hogy a CERN-ből egy másik kísérlet során érkező neutrinók repülnek a fénysebességet meghaladó sebességgel. A tudósok, miután ellenőrizték, úgy tűnik, hogy minden, amit csak ellenőrizni lehet, a tudományos közösséghez fordultak azzal a kéréssel, hogy lássák, mi a baj. Kollégák nézett és nem találtak hibákat, mondván, hogy ez nem lehet, mert soha nem lehet. És így történt: a szúrás, amint kiderült, csak egy csatlakozó volt, gyenge érintkezővel, amit nehéz észrevenni.
És most, egy ilyen fiaskó súlya alatt, a tudósok ismét választással szembesültek. Ha ezek WIMPS, akkor ez egy garantált, és azonnali Nobel-díj. És ha nem? Másodszor nem akartak becsületelni őket, és ellenőrizni és ellenőrizni kezdtek. Ennek eredményeként kiderült, hogy a három jel közül kettő valószínűleg parazita jelek lehet a háttér-szennyező atomokból, amelyeket nem távolítottak el teljesen. És a fennmaradó jel egyáltalán nem került statisztikákba, tehát a legjobb dolog az lenne, ha elfelejtené, és többé nem emlékszik.
Az érzékelő nem látott semmit
Újabb "majdnem" hangzott, amikor a Dél-Dakotában egy elhagyott aranybányában található LUX (nagyméretű föld alatti Xenon) legérzékenyebb sötét anyag detektorával foglalkozó együttműködés képviselői bejelentették, hogy megváltoztatják az érzékelő kalibrálását. Ezt követően a bizonyossággal határos reményben voltak, hogy a régóta várt "majdnem" végre valóra válik. A LUX detektor, amely létezésének első napjától sokkal érzékenyebb volt, mint az olasz, kétszer érzékeny a súlyos WIMP-ekre és 20-szor olyan érzékeny a tüdőre.
LUX detektor
Fotó: Nagy földalatti Xenon detektor
Az első 300 napos megfigyelő ülésen, amely 2012 nyarán kezdődött és 2013 áprilisában zárult le, a LUX nem látott semmit, még akkor sem, ha legalább udvariasságból valamit látott volna. Ahogyan a Yale Egyetemen, Daniel McKinsey, a LUX együttműködés tagja mondta: "Nem láttunk semmit, de jobban láttuk ezt a" semmit ", mint bárki előttünk."
Ennek a "semmi" eredményeként számos ígéretes verziót teljesen eldobtak egyszerre, különösen a "könnyű" WIMP-kkel kapcsolatban. Ami nem tette hozzá a szimpatizánsok együttműködését azok között, akiknek verzióit a LUX elutasította. Kollégák egész csomó szemrehányással támadtak őket, mert nem tudták megfelelően beállítani a kísérletet - a reakció meglehetősen szokásos és elvárt.
A fizikusok semmit sem tudnak a WIMP-k tömegéről - ha léteznek ilyenek. A keresést most 1 és 100 GeV közötti tömegtartományban végezzük (a proton tömege körülbelül 1 GeV). Számos tudós álmodozik a száz proton tömegű WIMP-kről, mivel az ilyen tömegű részecskéket a szuperszimmetrikus elmélet jósolja meg, amely valójában még nem vált elméletévé, hanem csak egy nagyon szép, de spekulatív modell, és amely sokan előre jelezik a standard modell utódjának sorsát. Ez valódi ajándék lenne a szuperszimmetria támogatóinak, különösen most, amikor a Large Hadron Collider kísérlete még nem regisztrálta az előrejelzett részecskék egyikét sem.
A LUX detektoron megfigyelt második megfigyelő ülés, amely a következő évben ér véget, az elején már említett kalibrálásoknak köszönhetően komolyan növeli az érzékelő érzékenységét és segítséget nyújthat a különféle tömegű daganatok megfogásában (korábban a LUX-t a legmagasabb, mintegy 34 GeV érzékenységre hangolták), jeleiket korábban figyelmen kívül hagyták őket. Más szavakkal, jövőre újabb és nagyon határozott „majdnem” vár ránk.
Ha ez a „csaknem” nem történik meg, akkor az is rendben van: a következő LZ érzékelő, amely sokkal érzékenyebb, már készül a LUX cseréjére. Várhatóan néhány évvel később indul. Ugyanakkor a DARWIN együttműködés 25 tonna xenon kapacitással rendelkező „szörnyet” készít, amelynek elõtt a LUX 370 kg-os gázzal „vak” és semmire haszontalannak látszik. Tehát úgy néz ki, hogy a wimpamnak - ha létezik - egyszerűen nincs hol rejtőznie, és előbb vagy utóbb érezte magát. A fizikusok legfeljebb tíz évet adnak nekik ehhez.
Wimp vagy bölcs?
Ha a paróka továbbra is fennmarad az életképességében, akkor továbbra is fennáll egy tengely, amelyet szintén üldözni kell. Az axiók hipotetikus részecskék, melyeket 1977-ben vezettek be Roberto Peccei és Helen Quinn amerikai fizikusok, annak érdekében, hogy megszabaduljanak a szimmetria törés kvantum-kromodinamikájából. Ezek valójában a Wimps is, amely a könnyebb bölcsesség (gyengén kölcsönhatásban lévő vékony részecskék) alkategóriájába tartozik, de van egy sajátossága: erős mágneses mezőben fotonokat kell indukálniuk, amelyek segítségével könnyen észlelhetők.
Manapság csak kevés ember érdekli az axiósokat, és még azért sem, mert az emberek nem hisznek bennük túl sokat, és nem azért is, mert a regisztrációval kapcsolatban különféle nehézségek vannak feltüntetve, csupán az, hogy keresésük túl nagy költségekkel jár. Annak érdekében, hogy az axió a virtuális fotonokat valódivá alakítsa, nagyon erős mágneses mezőkre van szükség - érdekes módon a szükséges mezőkkel rendelkező mágnesek már léteznek. A piac 18 Tesla mágnest kínál, vannak kísérleti 32 Tesla mágnesek, de ezek nagyon drága gépek, amelyeket nem könnyű beszerezni. Ezenkívül azok, akiktől az ilyen kutatás finanszírozása függ, nem igazán hisznek az axiók létezésének valóságában. Lehet, hogy valamikor az axiók keresése szükségessé teszi ezeket a pénzügyi nehézségeket, és addigra a mágnesek olcsóbbak lesznek.
Annak ellenére, hogy a WIMP-k látszólag végtelenek és eredménytelenek, a dolgok valójában jól mennek. Először ki kell dolgoznia a legegyszerűbb és legnyilvánvalóbb verziót - a wimpeket. Amikor megtalálják és tömegük ismert, a fizikusoknak gondolkodniuk kell arról, hogy mi ezek a WIMP-k - valóban nehéz neutrínók, a foton, a Z-boszon és a Higgs-boszon szuperpartnereinek kvantumkészlete, ahogy a legtöbb fizikus most feltételezi, vagy valami- valami más. Ha a WIMP-k nem találhatók a lehetséges tömegek teljes tartományában, akkor alternatív lehetőségeket kell fontolóra venni - például a WIMP-ket más módon kell keresni. Például, ha ez a híres Majorana fermion, amely maga is részecskeellenes, akkor találkozva az ilyen fermionoknak megsemmisülniük kell, sugárzásgá alakulva, és emlékezetük megmaradva magukról fotonfelesleg formájában.
Ha nincs mód a WIMP-k észlelésére, ami valójában valószínűtlennek tűnik, akkor részletesebben megvizsgálhatjuk a lehetőségeket a módosított Newtoni mechanikával. Emellett ellenőrizni tudjuk (még nem világos, hogy) egy teljesen fantasztikus verziót, amely a húr elmélet által előrejelzett hét további dimenzióhoz kapcsolódik, amelyek rejtve vannak rejtve, mivel ezek fel vannak hajlítva Planck méretű golyókba. Az ilyen multidimensionalitás néhány modellje szerint a gravitációs erő behatol ezekbe a dimenziókba, és ezért olyan gyenge a háromdimenziós világunkban. Ez felveti annak a lehetőségét, hogy a sötét anyag el van rejtve ezekben a felcsavart méretekben, és csak a mindenütt jelen lévő gravitációnak köszönhetően jelentkezik. Egzotikus magyarázatok vannak a kvantummezők topológiai defektusaival kapcsolatos sötét anyagokra is,A nagy robbanás során felmerülő hipotézisnek van egy magyarázata a sötét anyagnak a téridő fraktáltságával is, és nem kétséges, hogy ha szükséges, az elméleti fizikusok valami másnal kevésbé eredetivel fognak előállni. A legfontosabb dolog, hogy ebbe a listába egészítse ki az egyetlen helyes magyarázatot.