Apariția materiei întunecate
Uneori, se pare că în sine materia întunecată se răzbună pe oamenii de știință pentru neatenția cu care descoperirea sa a fost întâlnită acum mai bine de 80 de ani. Apoi, în 1933, astronomul american de origine elvețiană Fritz Zwicky, observând șase sute de galaxii din grupul Coma situat la 300 de milioane de ani lumină de Calea Lactee, a descoperit că masa acestui cluster, determinată pe baza vitezei de mișcare a galaxiilor, este de 50 de ori mai mare decât masa calculat prin estimarea luminozității stelelor.
Neavând nici cea mai mică idee despre care este această diferență de masă, el a dat definiția de acum oficială - materia întunecată.
Pentru foarte mult timp, foarte puțini oameni au fost interesați de materia întunecată. Astronomii credeau că problema masei ascunse va fi rezolvată de la sine, când va fi posibilă colectarea informațiilor mai complete despre gazul cosmic și stelele foarte slabe. Situația a început să se schimbe abia după ce astronomii americani Vera Rubin și Kent Ford au publicat rezultatele măsurărilor vitezei stelelor și a norilor de gaz din galaxia spirală M31 mare - nebuloasa Andromeda din 1970. Împotriva tuturor așteptărilor, s-a dovedit că, departe de centrul său, aceste viteze sunt aproximativ constante, ceea ce a contrazis mecanica newtoniană și a primit o explicație doar în ipoteza că galaxia este înconjurată de o cantitate mare de masă invizibilă.
Când întâlniți un fenomen despre care nu se știe nimic, atunci i se pot atribui un număr mare de explicații, iar tot ce rămâne este să le sortăm unul câte unul, aruncând deoparte pe cele inutile și inventând altele noi pe parcurs. Mai mult, nu este un fapt că printre toate aceste explicații va fi corect. Comportamentul necorespunzător al stelelor periferice ar putea fi explicat prin mișcarea în două direcții - prin corectarea ușoară a legilor lui Newton sau prin recunoașterea faptului că în lume există o materie care este diferită de a noastră, pe care nu o vedem, deoarece particulele din care este compusă nu participă la interacțiunea electromagnetică, atunci ei nu emit lumină și nu o absorb, interacționând cu lumea noastră doar prin gravitație.
A greșit Newton?
Prima direcție, adică corecția contra-newtoniană, s-a dezvoltat destul de lent. Adevărat, în 1983, teoreticianul israelian Mordechai Milgrom a creat așa-numita mecanică newtoniană modificată, în care mici accelerații reacționează la o forță de acțiune în mod diferit decât modul în care am fost învățați în școală. Această teorie a găsit mulți adepți și a fost dezvoltată curând într-o asemenea măsură încât nevoia de materie întunecată a dispărut. Este de remarcat faptul că ea însăși Vera Rubin, o pionieră recunoscută internațional în studiul materiei întunecate, a fost mereu înclinată spre modificarea legilor lui Newton - se pare că pur și simplu nu i-a plăcut ideea unei substanțe care este abundentă, dar pe care nimeni nu a văzut-o vreodată.
Video promotional:
Wimp evaziv
Există mulți candidați pentru particule de materie întunecată, iar pentru cei mai mulți dintre ei există un nume generalizat și aproape lipsit de sens „WIMPs” - aceasta este abrevierea engleză WIMPs, formată din termenul „Particule masive care interacționează slab” sau „particule masive care interacționează slab”. Cu alte cuvinte, acestea sunt particule care participă doar la interacțiuni gravitaționale și slabe - efectul său se extinde la dimensiuni mult mai mici decât dimensiunile nucleului atomic. Este în căutarea acestor WIMP-uri ca cea mai sugestivă explicație că principalele eforturi ale oamenilor de știință sunt direcționate astăzi.
Detectoarele WIMP, în special cele care le captează pentru xenon, sunt similare în principiu cu capcanele cu neutrino. La un moment dat chiar s-a crezut că neutrino este WIMP-ul foarte evaziv. Dar masa acestei particule s-a dovedit a fi prea mică - se știe că 84,5% din toată materia din Univers este materie întunecată și, conform calculelor, nu va exista atât de mulți neutrini pe această masă.
Principiul este simplu. Luați, să zicem, xenonul ca fiind cel mai greu dintre gazele nobile, răcite la temperaturi de azot și, de preferință, mai mici, protejate de orice „musafiri” inutili, cum ar fi razele cosmice, o mulțime de fotocelule sunt instalate în jurul vasului cu xenon și întregul sistem, situat în subteran., procedează să aștepți. Pentru că trebuie să aștepți mult timp - conform calculelor, lungimea unei capcane cu xenon, care va putea captura un WIMP care trece prin ea cu o probabilitate de 50 la sută, ar trebui să fie de 200 de ani lumină!
Aici, captura este însemnată fie zborul wimp-ului în apropierea atomului xenon, cât și zborul la o asemenea distanță la care interacțiunea slabă funcționează deja, sau o lovitură directă în nucleu. În primul caz, electronul exterior al atomului de xenon va fi scos din orbita sa, care va fi înregistrat prin modificarea sarcinii, în al doilea, va sari la un alt nivel și va reveni imediat „acasă” cu emisia ulterioară a unui foton, care este apoi înregistrat de fotomultiplicatori.
Senzație sau greșeală?
Cu toate acestea, „simplu” nu este chiar cuvântul potrivit atunci când este aplicat detectoarelor WIMP. Nu este foarte ușor și foarte scump. Unul dintre acești detectori sub denumirea simplă Xenon a fost instalat în laboratorul italian subteran din Gran Sasso. Până în prezent, a fost modificat de două ori și poartă acum numele Xenon1T. Este curățat complet de impurități care pot duce la semnale similare semnalelor provenite din materia întunecată. De exemplu, de la unul dintre poluanții tipici - izotopul radioactiv krypton-85. Conținutul său în xenon comercial este de doar câteva părți pe milion, dar atunci când căutați WIMP-uri este o mizerie completă. Prin urmare, începând cu a doua modificare a instalației - Xenon100 - fizicienii purifică suplimentar xenonul, reducând concentrația de poluant la sute de părți pe trilion.
Detector XENON100
Foto: Wikimedia Commons
Și pornind detectorul, ei, desigur, au spus prețuitul „aproape cam”. În timpul primei sesiuni de observație de 100 de zile, oamenii de știință au înregistrat până la trei impulsuri, foarte asemănătoare cu semnalele WIMP-urilor zburătoare. Nu s-au crezut singuri, deși probabil au vrut să creadă, dar era anul 2011, deja marcat de o puncție puternică: fizicienii au descoperit că neutrinii care ajung la ei din CERN în cursul unui alt experiment zboară cu o viteză care depășește viteza luminii. Oamenii de știință au verificat, se pare, tot ce poate fi verificat, s-au îndreptat către comunitatea științifică cu o solicitare pentru a vedea ce se întâmplă. Colegii s-au uitat și nu au putut găsi erori, spunând totuși că acest lucru nu poate fi, pentru că nu ar putea fi niciodată. Și așa s-a întâmplat: puncția, așa cum s-a dovedit, a fost doar un conector cu un contact slab, care a fost greu de observat.
Și acum, sub greutatea unui astfel de fiasco, oamenii de știință s-au confruntat din nou cu o alegere. Dacă acestea sunt WIMPS, atunci acesta este un premiu Nobel garantat și unul imediat. Și dacă nu? A doua oară nu au vrut să fie necinstite și au început să verifice și să verifice. Drept urmare, s-a dovedit că două dintre cele trei semnale pot fi foarte bine semnale parazite din atomii poluanți de fond, care nu au fost complet eliminate. Și semnalul rămas nu a intrat deloc în statistici, așa că cel mai bun lucru ar fi să uitați de el și să nu vă mai amintiți.
Detectorul a văzut „nimic”
Un alt „aproape” a sunat când reprezentanții colaborării care lucrează la cel mai sensibil detector de materie întunecată LUX (Xenon subteran mare), care se află într-o mină de aur abandonată din Dakota de Sud, au anunțat că au schimbat calibrarea detectorului. După aceea, au avut o speranță, mărginindu-se de certitudine, că mult așteptatul „aproape cam” se va realiza în sfârșit. Detectorul LUX, care încă din prima zi a existenței sale a fost mult mai sensibil decât cel italian, este de două ori mai sensibil la WIMP-uri severe și de 20 de ori mai sensibil la plămâni.
Detector LUX
Foto: Detector Xenon subteran mare
În timpul primei sesiuni de observație de 300 de zile, care a început în vara anului 2012 și s-a încheiat în aprilie 2013, LUX nu a văzut nimic, chiar și acolo unde a putut vedea ceva cel puțin din politețe. După cum a spus Daniel McKinsey, membru al colaborării LUX la Universitatea Yale, „Nu am văzut nimic, dar am văzut acest„ nimic”mai bun decât oricine.
Ca urmare a acestui „nimic”, mai multe versiuni promițătoare au fost complet aruncate simultan, în special în ceea ce privește WIMP-urile „ușoare”. Ceea ce nu a adăugat colaborarea simpatizanților dintre cei ale căror versiuni au fost respinse de LUX. Colegii i-au atacat cu o mulțime de reproșuri pentru incapacitatea lor de a configura corect experimentul - reacția este destul de standardă și de așteptat.
Fizicienii nu știu absolut nimic despre masa WIMP-urilor - dacă există deloc. Acum căutarea este efectuată în intervalul de masă de la 1 la 100 GeV (masa protonică este de aproximativ 1 GeV). Mulți oameni de știință visează la WIMP-uri cu o masă de o sută de protoni, deoarece particulele cu o astfel de masă sunt prezise de teoria supersimetrică, care de fapt nu a devenit încă o teorie, ci este doar un model foarte frumos, dar speculativ și pe care mulți prezic soarta succesorului modelului standard. Acesta ar fi un adevărat cadou pentru susținătorii supersimetriei, mai ales acum, când experimentul de la Colizorul de Hadroni Mari nu a înregistrat încă niciuna dintre particulele pe care le-a prezis.
Cea de-a doua sesiune de observare a detectorului LUX, care se va încheia anul viitor, ar trebui, datorită calibrărilor deja menționate la început, să crească serios sensibilitatea detectorului și să ajute la prinderea wimps-urilor de diferite mase (anterior LUX era reglat la cea mai mare sensibilitate de aproximativ 34 GeV), detectând semnalele lor unde anterior au fost ignorate. Cu alte cuvinte, anul viitor ne așteaptă un alt „foarte aproape” decisiv.
Dacă acest „aproape” nu se întâmplă, atunci este în regulă: următorul detector LZ, care este mult mai sensibil, este deja pregătit să înlocuiască LUX. Se preconizează că va fi lansat câțiva ani mai târziu. În același timp, colaborarea DARWIN pregătește un „monstru” cu o capacitate de 25 de tone de xenon, în fața căruia LUX, cu cei 370 kg de gaz, pare „orb” și inutil pentru orice. Deci, se pare că wimpam - dacă există - pur și simplu nu va avea nicăieri unde să se ascundă și mai devreme sau mai târziu se vor face simțite. Fizicienii le oferă nu mai mult de zece ani pentru acest lucru.
Wimp sau wisp?
Dacă wimps-urile continuă să persiste în evaziunea lor, există totuși o axiune, care ar trebui, de asemenea, urmărită. Axiile sunt particule ipotetice introduse în 1977 de fizicienii americani Roberto Peccei și Helen Quinn pentru a elimina cromodinamica cuantică a unor rupturi de simetrie. Acestea sunt, de fapt, și Wimps, aparținând subcategoriei înțepătorilor mai ușoare (Particule slabe care interacționează slab), dar au o particularitate: într-un câmp magnetic puternic, trebuie să inducă fotoni prin care să poată fi detectați cu ușurință.
Astăzi, puțini oameni sunt interesați de axiuni și nici măcar pentru că oamenii nu cred prea mult în ei și nu pentru că înregistrarea lor este asociată cu unele dificultăți speciale, ci doar căutarea lor este asociată cu cheltuieli prea mari. Pentru ca axiunea să înceapă să convertească fotoni virtuali în reali, sunt necesare câmpuri magnetice foarte puternice - este interesant că există deja magneți cu câmpurile necesare. Piața oferă 18 magneți Tesla, există 32 de magneți Tesla experimentali, dar acestea sunt mașini foarte scumpe și nu sunt ușor de obținut. În plus, cei de care depinde finanțarea unei astfel de cercetări nu cred cu adevărat în realitatea existenței axiunilor. Poate că într-o zi nevoia de a căuta axiuni va face ca aceste dificultăți financiare să fie depășite și până la acea dată magneții pot deveni mai ieftini.
În ciuda urmăririi aparent nesfârșite și fără rod a WIMP-urilor, lucrurile merg de fapt bine. Pentru început, trebuie să elaborați cea mai simplă și mai evidentă versiune - wimps. Când vor fi găsiți și masa lor va fi cunoscută, fizicienii vor trebui să se gândească la ce sunt aceste WIMP-uri - sunt într-adevăr neutralinos grei, un set cuantic de superpartenți ai fotonului, bosonului Z și bosonului Higgs, așa cum presupun acum majoritatea fizicienilor sau ceva de genul - altceva. Dacă WIMP-urile nu se regăsesc în întreaga gamă de mase posibile, va fi necesar să luăm în considerare opțiuni alternative - de exemplu, căutați WIMP-uri în alte moduri. De exemplu, dacă acesta este faimosul fermion Majorana, care este el însuși un antiparticul, atunci, întrunind, astfel de fermioni ar trebui să se anihileze, transformându-se în radiații și lăsând o amintire despre ei înșiși, sub forma unui exces de fotoni.
Dacă nu există nicio modalitate de a detecta WIMP-urile, ceea ce pare de fapt puțin probabil, atunci va fi posibil să aruncăm o privire mai atentă asupra opțiunilor cu mecanica newtoniană modificată. De asemenea, va fi posibil să verificați (nu este încă clar cum) o versiune complet fantastică asociată celor șapte dimensiuni suplimentare prevăzute de teoria șirurilor, care sunt ascunse de noi, deoarece acestea sunt încovoiate în bile de dimensiuni Planck. Conform unor modele de o asemenea multidimensionalitate, forța gravitațională pătrunde în fiecare dintre aceste dimensiuni și, prin urmare, este atât de slabă în lumea noastră tridimensională. Totuși, acest lucru ridică posibilitatea ca materia întunecată să fie ascunsă în aceste dimensiuni ondulate și se manifestă numai datorită gravitației omniprezente. Există, de asemenea, explicații exotice pentru materia întunecată, asociate cu defecte topologice ale câmpurilor cuantice,apărută în timpul Big Bang, există și o ipoteză care explică materia întunecată prin fractalitatea spațiului-timp și nu există nici o îndoială că, dacă este necesar, fizicienii teoretici vor veni cu altceva mai puțin original. Cel mai important este să adăugați singura explicație corectă acestei liste.
