Ei caută materie întunecată pe Pământ, în subteran și în spațiu. Particulele sale misterioase sunt invizibile instrumentelor științifice și nu se manifestă nicăieri. Cu toate acestea, a fost colectată o „bază de dovezi” solidă în favoarea existenței lor. Oamenii de știință au șansa să descopere vreodată materia întunecată?
O componentă cheie a universului
Particulele de materie întunecată s-au născut la scurt timp după Big Bang, când universul era o plasmă fierbinte. Pe măsură ce s-au răcit, au format aglomerări care au asigurat în cele din urmă apariția stelelor și galaxiilor. Dacă plasma ar conține doar particule obișnuite care alcătuiesc atomii, atunci radiația i-ar respinge unul de celălalt, nepermițându-le să formeze structuri. Obiectele legate gravitațional au apărut suficient de repede, ceea ce înseamnă că ceva îi ajuta. O substanță masivă le-a reținut. Acum nu interacționează în niciun fel cu materia obișnuită, nu radiază, prin urmare nu o observăm prin nicio metodă.
Acesta este modul în care oamenii de știință reconstruiesc evoluția Universului, care ar fi incompletă fără participarea materiei întunecate. La această concluzie s-a ajuns în anii 1930 de astronomul elvețian Fritz Zwicky. Studiind grupuri de galaxii, s-a întrebat de ce nu se împrăștie. La urma urmei, masa galaxiilor vizibile nu este suficientă pentru a ține clusterul. Prin urmare, trebuie să existe o masă ascunsă. Mai târziu, această ipoteză a găsit numeroase confirmări cu privire la anomaliile din rata de rotație a galaxiilor: părțile discurilor îndepărtate de centru abia încetinesc, așa cum ar fi dacă ar consta doar din stele.
Lentilația gravitațională permite captarea indirectă a prezenței masei ascunse. Acest efect este creat de două galaxii masive situate una în spatele celeilalte. Lumina dintr-o galaxie îndepărtată este îndoită de câmpul gravitațional al unuia din apropiere și, la fel ca într-un obiectiv, apare imaginea acestuia. Acest lucru oferă o oarecare perspectivă asupra materiei întunecate din galaxii, formând un halo imens, invizibil în jurul lor. Folosind diferite modele, oamenii de știință calculează distribuția densității materiei întunecate în halou și, pe această bază, fac presupuneri despre structură.
În stânga - halou de materie întunecată în galaxia NGC 4555.
Video promotional:
Compoziția materiei întunecate
Fizicienii sunt înclinați să creadă că materia întunecată constă din particule necunoscute pentru noi.
„Metodele astrofizice de observare nu spun nimic despre proprietățile lor. Este posibil ca acestea să nu interacționeze în niciun fel, cu excepția metodei gravitaționale. Poate că nici experimentele directe pe Pământ, nici observațiile în spațiu nu vor duce la nimic. Acest lucru trebuie întotdeauna avut în vedere”, spune Dmitry Gorbunov, membru corespondent al Academiei de Științe din Rusia, cercetător șef al Institutului de Cercetări Nucleare al Academiei de Științe din Rusia la RIA Novosti.
Candidații pentru rolul particulelor întunecate includ axii ultra-ușori, particule cu interacțiune slabă (WIMP) și un neutrin steril care ajută la explicarea masei și a oscilației neutrinilor solari.
„Cel mai ușor neutrino steril poate fi o particulă de materie întunecată. Nu este stabil, dar trăiește foarte mult timp. În galaxie, astfel de particule ar trebui să se descompună în neutrini și un foton. Se învârt încet (de 10-3 ori viteza luminii), deci este de așteptat un vârf în gama de raze X în spectrul fotonic”, spune omul de știință.
Potrivit acestuia, un spectrometru bun ar trebui trimis pe orbită pentru a încerca să înregistreze astfel de evenimente.
În urmă cu doi ani, Gorbunov și colegii săi au modelat una dintre ipotezele cu privire la o componentă instabilă a materiei întunecate pentru a explica discrepanța în rezultatele experimentului telescopului spațial Planck, care a măsurat CMB. Poate că aceasta a fost o greșeală sau poate o indicație a unei proprietăți a materiei întunecate. Oamenii de știință au sugerat că substanța întunecată are o compoziție eterogenă și o parte din ea nu a supraviețuit până în prezent.
În căutarea particulelor întunecate
Cum să captăm particule de materie întunecată este una dintre întrebările cheie în fizică. Mulți teoreticieni și experimentatori încearcă să răspundă. Modul de observare depinde de model, în care sunt stabilite toate proprietățile particulei ipotetice. Dacă presupunem că materia întunecată a fost în echilibru în plasma Universului timpuriu - și au existat și particule obișnuite - înseamnă că interacționează cumva cu ele. Dintre toate tipurile de interacțiuni cunoscute, cu excepția celei gravitaționale, cea mai potrivită este cea slabă, care apare în timpul decăderii beta a unui nucleu atomic.
„Sub această ipoteză, după ce plasma primară se răcește, rămâne cantitatea necesară de materie întunecată”, explică Dmitry Gorbunov.
Pe această bază, particulele întunecate pot fi distruse prin formarea unui electron și a unui pozitron. Ei caută urme ale acestor anihilări, dar aceasta este în orice caz dovezi circumstanțiale. În plus, rezultatele sunt destul de neclare, particulele sunt deviate, zboară în jurul galaxiei, anihilate, pierd energie și ceea ce ajunge pe Pământ este dificil de distins pe fundalul razelor cosmice.
Ei încearcă să observe particulele întunecate direct în detectoarele subterane de neutrini. Sub pământ, fundalul din particulele atmosferice scade, substanța detectorului se răcește și trebuie să așteptați ca o particulă de materie întunecată să o lovească. Aceste evenimente sunt rare în sine, deoarece dacă o particulă interacționează, aceasta este slabă. Impactul provoacă excitația atomului și o explozie de energie, care este înregistrată de detector.
În același timp, este imposibil să crești infinit volumul substanței detector pentru a crește probabilitatea de trecere a particulelor întunecate fără pierderea sensibilității. În plus, neutrinii interferează cu semnalul. Pentru a-l întrerupe, poate fi necesar să construiți un detector complet nou pentru a intra sub acest semnal.
„Trebuie să folosim detectarea direcției impactului particulelor. Acest lucru va suprima în mod semnificativ fundalul, deoarece neutrinii zboară direct de la Soare, iar materia întunecată va lovi în alte direcții , precizează omul de știință.
A treia direcție este crearea unei particule de materie întunecată ca urmare a coliziunii particulelor obișnuite la LHC și la alți acceleratori. Pentru un observator, va arăta, de exemplu, ca un foton care a zburat în lateral. Conform legii conservării impulsului, o particulă ar trebui să zboare și în cealaltă direcție, dar nu există. Deci este invizibilă.
Până în prezent, niciuna dintre modalitățile de a prinde particule de materie întunecată nu a avut succes. Nici nu este clar care dintre ele este cel mai promițător.
Compoziția Universului / Ilustrație de RIA Novosti.
Tatiana Pichugina
