Появата на тъмна материя
Понякога изглежда, че именно тъмната материя отмъщава на учените за невниманието, с което откритието й е било изпълнено преди повече от 80 години. Тогава, през 1933 г., американският астроном от швейцарски произход Фриц Цвики, наблюдавайки шестстотин галактики в кума Кома, разположен на 300 милиона светлинни години от Млечния път, откри, че масата на този клъстер, определена въз основа на скоростта на движение на галактиките, е 50 пъти по-голяма от масата изчислена чрез изчисляване на светимостта на звездите.
Без да има и най-малка представа каква е тази разлика в масата, той му даде сега официалното определение - тъмна материя.
Много дълго време много малко хора се интересуваха от тъмна материя. Астрономите вярвали, че проблемът със скритата маса ще бъде решен сам, когато е възможно да се събере по-пълна информация за космическия газ и много слаби звезди. Ситуацията започна да се променя едва след като през 1970 г. американските астрономи Вера Рубин и Кент Форд публикуват резултатите от измерванията на скоростите на звезди и газови облаци в голямата спирална галактика М31 - мъглявината Андромеда. На фона на всички очаквания се оказа, че далеч от центъра му тези скорости са приблизително постоянни, което противоречи на Нютоновата механика и се обяснява само при предположението, че голямо количество невидима маса заобикаля галактиката.
Когато се натъкнете на феномен, за който нищо не се знае, тогава може да се припишат голям брой обяснения и остава само да ги подредите едно по едно, да изместите настрана безполезните и да измислите нови по пътя. Освен това не е факт, че сред всички тези обяснения ще бъде правилно. Неправилното поведение на периферните звезди би могло да се обясни с движение в две посоки - чрез леко коригиране на законите на Нютон или признаване, че има материя в света, различна от нашата, която ние не виждаме, защото частиците, от които е съставен, не участват в електромагнитното взаимодействие, тогава те не излъчват светлина и не я поглъщат, взаимодействайки с нашия свят само чрез гравитацията.
Греше ли Нютон?
Първата посока, тоест контра-нютоновата корекция, се разви доста бавно. Вярно е, че през 1983 г. израелският теоретик Мордехай Милгром създава така наречената модифицирана нютонова механика, в която малките ускорения реагират на действаща сила малко по-различно от начина, по който ни учили в училище. Тази теория намери много последователи и скоро беше разработена до такава степен, че нуждата от тъмна материя изчезна. Прави впечатление, че самата Вера Рубин, международно призната пионерка в изследването на тъмната материя, винаги е била склонна към изменение на законите на Нютон - изглежда, че тя просто не е харесвала идеята за вещество, което е изобилно, но което никой никога не е виждал.
Промоционално видео:
Неуловимата китка
Има много кандидати за частици от тъмна материя и за повечето от тях има обобщаващо и почти безсмислено наименование „WIMPs“- това е английската абревиатура WIMP, произлизаща от термина „Слабо взаимодействащи масивни частици“или „слабо взаимодействащи масивни частици“. С други думи, това са частици, които участват само в гравитационни и слаби взаимодействия - ефектът му се простира до размери, много по-малки от размерите на атомното ядро. Именно търсенето на тези WIMP като най-внушаващото обяснение е, че основните усилия на учените са насочени днес.
WIMP детекторите, особено тези, които ги улавят за ксенон, по принцип са подобни на неутрино капани. Едно време дори се смяташе, че неутрино е много неуловимият WIMP. Но масата на тази частица се оказа твърде малка - известно е, че 84,5% от цялата материя във Вселената е тъмна материя и според изчисленията няма да има толкова много неутрино в тази маса.
Принципът е прост. Вземете, да речем, ксенон като най-тежкия от благородните газове, охладен до азотни температури и за предпочитане по-ниски, защитен от всякакви ненужни "гости", като космически лъчи, около ксеноновия съд са инсталирани много фотоклетки и цялата тази система, разположена дълбоко под земята, пристъпва към изчакване. Защото трябва да чакате дълго време - според изчисленията, дължината на капан с ксенон, който ще може да улови WIMP, преминаващ през него с 50-процентова вероятност, трябва да бъде 200 светлинни години!
Тук под улавяне се разбира или полетът на кича в близост до ксеноновия атом, и полетът на такова разстояние, на което слабото взаимодействие вече работи, или директен удар в ядрото. В първия случай външният електрон на ксеноновия атом ще бъде изваден от орбитата му, което ще бъде записано от промяната на заряда, във втория той ще скочи на друго ниво и веднага ще се върне „у дома“с последващото излъчване на фотон, който след това се регистрира от фотоумножители.
Усещане или грешка?
Въпреки това „простият“не е съвсем точната дума, когато се прилага към WIMP детектори. Не е много лесно и много скъпо. Един от тези детектори под неусложнено име Ксенон беше инсталиран в подземната италианска лаборатория на Гран Сасо. Към днешна дата той е двойно модифициран и сега носи името Xenon1T. Тя се почиства старателно от примеси, които могат да доведат до сигнали, подобни на сигнали от тъмна материя. Например от един от типичните замърсители - радиоактивният изотоп криптон-85. Съдържанието му в търговския ксенон е само няколко части на милион, но когато се търсят WIMP, той е напълно мръсен. Следователно, започвайки с втората модификация на инсталацията - Xenon100 - физиците допълнително пречистват ксенона, намалявайки концентрацията на замърсителя до стотици части на трилион.
XENON100 детектор
Снимка: Wikimedia Commons
И като включиха детектора, те, разбира се, казаха заветното „точно“. По време на първата 100-дневна сесия за наблюдение учените записаха три три импулса, много подобни на сигналите от летящи WIMP. Не вярваха в себе си, въпреки че вероятно наистина искаха да повярват, но това беше 2011 г., вече белязана от силна пункция: физиците откриха, че неутрино, пристигащи при тях от ЦЕРН в хода на друг експеримент, летят със скорост, превишаваща скоростта на светлината. Учените, след като провериха, изглежда, че всичко, което може само да се провери, се обърнаха към научната общност с молба да видят какво става наред. Колеги погледнаха и не можаха да намерят грешки, казвайки обаче, че това не може да бъде, защото никога не може да бъде. И така се случи: пункцията, както се оказа, беше само един съединител с лош контакт, което беше трудно да се забележи.
И сега, под тежестта на такова фиаско, учените отново са изправени пред избор. Ако това са WIMPS, тогава това е гарантирана Нобелова награда и незабавна. И ако не? Втория път те не искаха да бъдат безчестни и започнаха да проверяват и проверяват отново. В резултат се оказа, че два от трите сигнала може да са паразитни сигнали от фоновите замърсители, които не са напълно елиминирани. А останалият сигнал изобщо не попада в никаква статистика, така че най-хубавото би било да забравите за него и да не си спомняте повече.
Детекторът видя „нищо“
Друго „почти” прозвуча, когато представители на колаборацията, работещи върху най-чувствителния детектор за тъмна материя LUX (Large Underground Xenon), който се намира в изоставена златна мина в Южна Дакота, обявиха, че са променили калибрирането на детектора. След това те имаха надежда, граничеща със сигурност, че дългоочакваното "почти накрая" най-накрая ще се сбъдне. LUX детекторът, който от първия ден на съществуването си беше много по-чувствителен от италианския, е два пъти по-чувствителен към тежки WIMP и 20 пъти по-чувствителен към белите дробове.
LUX детектор
Снимка: Голям подземен ксенонов детектор
По време на първата 300-дневна сесия за наблюдение, която започна през лятото на 2012 г. и приключи през април 2013 г., LUX не видя нищо, дори където можеше да види нещо, дори от учтивост. Както каза Даниел Маккинси, член на LUX сътрудничеството в Йейлския университет, „Ние не видяхме нищо, но видяхме това„ нищо “по-добро от всеки преди нас“.
В резултат на това "нищо" няколко обещаващи версии бяха напълно изхвърлени наведнъж, особено във връзка с "леките" WIMP. Което не допринесе за сътрудничеството на симпатизанти сред онези, чиито версии бяха отхвърлени от LUX. Колегите ги нападнаха с цял куп упреци за неспособността им да поставят правилно експеримента - реакцията е доста стандартна и очаквана.
Физиците не знаят абсолютно нищо за масата на WIMPs - ако изобщо съществуват. Сега търсенето се извършва в диапазона на масата от 1 до 100 GeV (протонната маса е около 1 GeV). Много учени мечтаят за WIMP с маса от сто протона, тъй като частиците с такава маса са предсказани от свръхсиметричната теория, която всъщност все още не е станала теория, а е само много красив, но спекулативен модел и който мнозина предсказват съдбата на наследника на Стандартния модел. Това би било истински подарък за привържениците на свръхсиметрията, особено сега, когато експериментът при Големия адронен колайдер все още не е регистрирал нито една от предвидените от него частици.
Втората сесия за наблюдение на детектора LUX, която ще приключи следващата година, би трябвало, благодарение на споменатите в началото калибровки, да увеличи сериозно чувствителността на детектора и да помогне за улавяне на кичури от различни маси (преди това LUX беше настроен на най-висока чувствителност от около 34 GeV), откривайки техните сигнали, където преди това бяха игнорирани. С други думи, през следващата година ни очаква друго и много решително „почти за“.
Ако това „почти“не се случи, тогава също е добре: следващият LZ детектор, който е много по-чувствителен, вече се подготвя да замени LUX. Очаква се да стартира няколко години по-късно. В същото време сътрудничеството на DARWIN подготвя "чудовище" с капацитет 25 тона ксенон, пред което LUX със своите 370 кг газ изглежда "сляп" и безполезен за нищо. Така че изглежда, че wimpam - ако съществуват - просто няма къде да се скрие и рано или късно те ще се почувстват. Физиците им дават не повече от десет години за това.
Wimp или wisp?
Ако wimps продължават да упорстват в своята неуловимост, тогава все още има аксион, който също трябва да бъде преследван. Аксионите са хипотетични частици, въведени през 1977 г. от американските физици Роберто Печчей и Хелън Куин, за да се избавят от квантовата хромодинамика на някои нарушения на симетрията. Това всъщност са и Wimps, принадлежащи към подкатегорията на по-леките кичури (Слабо взаимодействащи тънки частици), но те имат една особеност: в силно магнитно поле те трябва да индуцират фотони, чрез които могат лесно да бъдат открити.
Днес малко хора се интересуват от аксони и дори не защото хората не вярват в тях прекалено много, а не защото регистрацията им е свързана с някакви специални затруднения, просто търсенето им е свързано с твърде големи разходи. За да може аксионът да започне да преобразува виртуални фотони в истински, са необходими много силни магнитни полета - интересното е, че магнити с необходимите полета вече съществуват. Пазарът предлага 18 магнита Tesla, има експериментални 32 магнита Tesla, но това са много скъпи машини и не се получават лесно. Освен това тези, от които зависи финансирането на подобни изследвания, всъщност не вярват в реалността на съществуването на аксиони. Може би някой ден нуждата от търсене на оси ще направи тези финансови затруднения непреодолими и дотогава магнитите могат да станат по-евтини.
Въпреки привидно безкрайното и безплодно преследване на WIMP, нещата всъщност вървят добре. За начало трябва да изработите най-простата и очевидна версия - кичури. Когато бъдат намерени и масата им е известна, физиците ще трябва да помислят какви са тези WIMP - наистина ли са тежки неутралино, квантов набор от суперпартньори на фотона, Z-бозона и богса на Хигс, както повечето физици предполагат, или нещо подобно - нещо друго. Ако WIMP не се намерят в целия диапазон от възможни маси, ще е необходимо да се обмислят алтернативни варианти - например, потърсете WIMP по други начини. Например, ако това е известният фермион на майорана, който сам по себе си е античастица, тогава, срещайки се, такива фермиони трябва да унищожат, превръщайки се в радиация и оставяйки спомен за себе си под формата на излишък от фотони.
Ако няма начин да откриете WIMP, което всъщност изглежда малко вероятно, тогава ще бъде възможно да разгледате по-отблизо опциите с модифицирана механика на Нютон. Също така ще бъде възможно да се провери (все още не е ясно как) напълно фантастична версия, свързана със седемте допълнителни измерения, предвидени от теорията на струните, които са скрити от нас, тъй като са свити в топките с размер на Планк. Според някои от моделите на такава многоизмерност, гравитационната сила прониква във всяко от тези измерения и следователно е толкова слаба в нашия триизмерен свят. Това обаче поражда възможността тъмната материя да е скрита в тези навити измерения и да се проявява само благодарение на вездесъщата гравитация. Съществуват и екзотични обяснения за тъмната материя, свързани с топологични дефекти на квантовите полета, т.е.възникнала по време на Големия взрив, има и хипотеза, обясняваща тъмната материя с фракталността на пространството-времето и няма съмнение, че ако е необходимо, теоретичните физици ще измислят нещо друго, не по-малко оригинално. Най-важното е да добавите единственото правилно обяснение към този списък.
