Framväxten av mörk materia
Ibland verkar det som att det är mörk materia själv som tar hämnd på forskare för den ouppmärksamhet som dess upptäckt möttes för mer än 80 år sedan. Sedan, 1933, upptäckte den amerikanska astronomen av schweiziskt ursprung Fritz Zwicky, som observerade sex hundra galaxer i Coma-klustret beläget 300 miljoner ljusår från Vintergatan, att massan i detta kluster, bestämd utifrån galaxernas rörelseshastighet, är 50 gånger större än massan beräknas genom att uppskatta stjärnornas ljusstyrka.
Eftersom han inte hade den minsta uppfattningen om vad denna massskillnad är, gav han den nu officiella definitionen - mörk materia.
Under mycket lång tid var väldigt få människor intresserade av mörk materia. Astronomer trodde att problemet med dold massa skulle lösas av sig själv när det var möjligt att samla mer fullständig information om kosmisk gas och mycket svaga stjärnor. Situationen började förändras först efter att de amerikanska astronomerna Vera Rubin och Kent Ford publicerade resultaten av mätningar av hastigheterna för stjärnor och gasmoln i den stora spiralgalaxen M31 - Andromeda-nebulosan 1970. Mot alla förväntningar visade det sig att långt från dess centrum är dessa hastigheter ungefär konstanta, vilket strider mot Newtons mekanik och förklarades endast under antagandet att en stor mängd osynlig massa omger galaxen.
När du stöter på ett fenomen som ingenting är känt så kan ett stort antal förklaringar tillskrivas det, och det som återstår är att sortera dem en efter en, avvisa de värdelösa och uppfinna nya på vägen. Dessutom är det inte ett faktum att det bland alla dessa förklaringar kommer att vara korrekt. Perifera stjärners felaktiga beteende kan förklaras genom att röra sig i två riktningar - genom att något korrigera Newtons lagar eller erkänna att det finns materia i världen som skiljer sig från vår, som vi inte ser, eftersom partiklarna som den består av inte deltar i elektromagnetisk interaktion, då de avger inte ljus och absorberar inte det, interagerar bara med vår värld genom allvar.
Var Newton fel?
Den första riktningen, det vill säga mot-newtonsk korrigering, utvecklades ganska trögt. Visst, 1983 skapade den israeliska teoretikern Mordechai Milgrom den så kallade modifierade Newtonska mekaniken, där små accelerationer reagerar på en fungerande kraft något annorlunda än det vi lärde oss i skolan. Denna teori hittade många följare och utvecklades snart i en sådan utsträckning att behovet av mörk materia försvann. Det är anmärkningsvärt att Vera Rubin själv, en internationellt erkänd pionjär i studien av mörk materia, alltid har varit lutad mot ändringen av Newtons lagar - det verkar som om hon helt enkelt inte gillade idén om ett ämne som är rikligt, men som ingen någonsin sett.
Kampanjvideo:
Den svårfångade wimpen
Det finns många kandidater för partiklar av mörk materia, och för de flesta av dem finns det ett generaliserande och nästan meningslöst namn "WIMPs" - detta är den engelska förkortningen WIMPs, härledd från termen "Weakly Interacting Massive Particles", eller "svagt samverkande massiva partiklar". Med andra ord, detta är partiklar som endast deltar i gravitationella och svaga interaktioner - dess effekt sträcker sig till dimensioner som är mycket mindre än dimensionerna i atomkärnan. Det är på jakt efter dessa WIMP: er som den mest suggestiva förklaringen att forskarnas huvudsakliga ansträngningar riktas idag.
WIMP-detektorer, särskilt de som fångar dem för xenon, liknar i princip lik neutrinofällor. En gång trodde man till och med att neutrinoen är den mycket svårfångade WIMP. Men massan på denna partikel visade sig vara för liten - det är känt att 84,5% av all materia i universum är mörk materia och enligt beräkningar kommer det inte att finnas så många neutrinoer i denna massa.
Principen är enkel. Ta, säg, xenon som den tyngsta av de ädla gaserna, kylda till kvävetemperaturer, och helst lägre, skyddade från onödiga "gäster", som kosmiska strålar, installeras en hel del fotoceller runt xenonkärlet, och hela detta system, beläget djupt under jord, fortsätter att vänta. Eftersom du måste vänta länge - enligt beräkningar bör längden på en fälla med xenon, som kan fånga en WIMP som passerar genom den med 50 procents sannolikhet, vara 200 ljusår!
Här menas fångst antingen flykten av wimpen nära xenonatomen och flyget på ett sådant avstånd där den svaga interaktionen redan fungerar, eller en direkt träff i kärnan. I det första fallet kommer den yttre elektronen i xenonatomen att slås ut ur sin bana, som kommer att registreras av laddningsändringen; i den andra kommer den att hoppa till en annan nivå och omedelbart återvända "hem" med efterföljande utsläpp av en foton, som sedan registreras av fotomultiplikatorer.
Sensation eller misstag?
Men "enkelt" är inte riktigt det rätta ordet när det används på WIMP-detektorer. Det är inte så lätt och mycket dyrt. En av dessa detektorer under det okomplicerade namnet Xenon installerades i det underjordiska italienska laboratoriet i Gran Sasso. Hittills har den modifierats två gånger och bär nu namnet Xenon1T. Det rengörs noggrant för föroreningar som kan leda till signaler som liknar signaler från mörk materia. Till exempel från en av de typiska föroreningarna - den radioaktiva isotopen krypton-85. Dess innehåll i kommersiell xenon är bara några få delar per miljon, men när man letar efter WIMP: er är det fullständigt smutsigt. Därför börjar med den andra modifieringen av installationen - Xenon100 - fysiker dessutom xenon, vilket reducerar koncentrationen av föroreningen till hundratals delar per biljon.
XENON100 detektor
Foto: Wikimedia Commons
Och när de slog på detektorn sa de naturligtvis de omhuldade "nästan." Under den första 100-dagars observationssessionen registrerade forskare så många som tre impulser, mycket liknande signalerna från flygande WIMP: er. De trodde inte på sig själva, även om de förmodligen verkligen ville tro, men det var 2011, redan präglat av en stark punktering: fysiker upptäckte att neutriner som anländer till dem från CERN under ett annat experiment flyger med en hastighet som överskrider ljusets hastighet. Forskare, efter att ha kontrollerat, verkade det, allt som bara kan verifieras, vände sig till det vetenskapliga samfundet med en begäran om att se vad som gick fel. Kollegor såg och kunde inte hitta fel och sa dock att detta inte kunde vara, för det kunde aldrig bli det. Och så hände det: punkteringen, som det visade sig, var bara ett kontaktdon med en dålig kontakt, vilket var svårt att märka.
Och nu, under vikten av en sådan fiasko, stod forskare igen inför ett val. Om det här är WIMPS, är detta ett garanterat Nobelpris och ett omedelbart. Varom icke? Andra gången ville de inte bli vanära, och de började kontrollera och kontrollera igen. Som ett resultat visade det sig att två av de tre signalerna mycket väl kan vara parasitiska signaler från föroreningar i bakgrunden, som inte helt eliminerades. Och den återstående signalen fick inte alls statistik, så det bästa skulle vara att glömma bort det och inte komma ihåg mer.
Detektorn såg "ingenting"
En annan "nästan" lät när representanter för samarbetet som arbetade med den mest känsliga detektorn för mörk materia LUX (Large Underground Xenon), som ligger i en övergiven guldgruva i South Dakota, meddelade att de hade ändrat detektorens kalibrering. Efter det hade de ett hopp, gränsar till säkerhet, att det efterlängtade "nästan" slutligen skulle gå i uppfyllelse. LUX-detektorn, som från den första dagen av dess existens var mycket känsligare än den italienska, är dubbelt så känslig för allvarliga WIMP: er och 20 gånger så känslig för lungor.
LUX-detektor
Foto: Stor underjordisk Xenon-detektor
Under den första 300-dagars observationssessionen, som började sommaren 2012 och slutade i april 2013, såg LUX ingenting, inte ens där det kunde ha sett något åtminstone av artighet. Som Daniel McKinsey, en medlem av LUX-samarbetet vid Yale University, sa: "Vi såg ingenting, men vi såg detta 'ingenting' bättre än någon framför oss."
Som ett resultat av detta "ingenting" kasserades flera lovande versioner helt på en gång, särskilt i relation till "lätta" WIMP: er. Vilket inte bidrog till samarbete mellan sympatisörer från dem vars versioner avvisades av LUX. Kollegor attackerade dem med en hel mängd bebrejd för deras oförmåga att sätta upp experimentet korrekt - reaktionen är ganska standard och förväntad.
Fysiker vet absolut ingenting om massan av WIMP: er - om de finns alls. Nu utförs sökningen i massområdet från 1 till 100 GeV (protonmassan är cirka 1 GeV). Många forskare drömmer om WIMP: er med en massa av hundra protoner, eftersom partiklar med en sådan massa förutsägas av den supersymmetriska teorin, som faktiskt ännu inte har blivit en teori, men bara är en mycket vacker, men spekulativ modell och som många förutsäger ödet för efterträdaren till standardmodellen. Detta skulle vara en riktig gåva för supportrar av supersymmetri, speciellt nu, när experimentet på Large Hadron Collider ännu inte har registrerat några av de partiklar som det förutspådde.
Den andra observationssessionen för LUX-detektorn, som avslutas nästa år, bör, tack vare de kalibreringar som redan nämnts i början, allvarligt öka detektorkänsligheten och hjälpa till att fånga wimps av olika massor (tidigare var LUX inställd till den högsta känsligheten på cirka 34 GeV), och upptäcker deras signaler där de ignorerades tidigare. Med andra ord, nästa år väntar en annan och mycket avgörande "nästan" på oss.
Om det här”nästan” inte händer, är det också okej: nästa LZ-detektor, som är mycket känsligare, är redan beredd att ersätta LUX. Det förväntas lanseras flera år senare. Samtidigt förbereder DARWIN-samarbetet ett "monster" med en kapacitet på 25 ton xenon, framför vilket LUX, med sina 370 kg bensin, verkar "blind" och värdelös för någonting. Så det ser ut som att wimpam - om de finns - helt enkelt inte har någonstans att gömma sig, och förr eller senare kommer de att känna sig själva. Fysiker ger dem högst tio år för detta.
Wimp eller wisp?
Om wimps fortsätter att fortsätta i sin svårfångande, finns det fortfarande en axion, som också ska jagas. Axioner är hypotetiska partiklar som introducerades 1977 av de amerikanska fysikerna Roberto Peccei och Helen Quinn för att befria kvantkromodynamik från symmetribrott. Dessa är faktiskt också Wimps, som tillhör underkategorin av lättare wisps (Weakly Interacting Slim Particles), men de har en egenhet: I ett starkt magnetfält måste de inducera fotoner genom vilka de lätt kan upptäckas.
Idag är få människor intresserade av axioner, och inte ens för att människor inte tror på dem för mycket, och inte för att deras registrering är förknippad med vissa speciella svårigheter, det är bara att deras sökning är förknippad med för höga utgifter. För att axionen ska börja konvertera virtuella fotoner till riktiga, behövs mycket starka magnetfält - intressant nog finns magneter med de nödvändiga fälten redan. Marknaden erbjuder 18 Tesla-magneter, det finns experimentella 32 Tesla-magneter, men det är mycket dyra maskiner och inte lätt att få. Dessutom tror de som finansieringen av sådan forskning inte beror på verkligheten om förekomsten av axioner. Kanske en dag kommer behovet att söka efter axioner göra dessa ekonomiska svårigheter oöverstiga, och vid den tiden kan magneterna bli billigare.
Trots den till synes oändliga och fruktlösa strävan efter WIMP: er går det faktiskt bra. Till att börja med måste du räkna ut den enklaste och mest uppenbara versionen - wimps. När de hittas, och deras massa är känd, måste fysiker tänka på vad dessa WIMP är - är de verkligen tunga neutraler, en kvantuppsättning av superpartners av fotonen, Z-boson och Higgs boson, som de flesta fysiker nu antar, eller något- något annat. Om WIMP inte finns i hela utbudet av möjliga massor, kommer det att vara nödvändigt att överväga alternativa alternativ - leta till exempel på WIMP på andra sätt. Till exempel, om detta är den berömda Majorana fermion, som i sig är en antipartikel, bör möten, sådana fermioner förintas, förvandlas till strålning och lämna ett minne om sig själva i form av ett överskott av fotoner.
Om det inte finns något sätt att upptäcka WIMP: er, som verkligen verkar osannolikt, kommer det att vara möjligt att titta närmare på alternativen med modifierad Newtonian mekanik. Det kommer också att vara möjligt att kontrollera (det är ännu inte klart hur) en helt fantastisk version förknippad med de sju ytterligare dimensioner som förutses av strängteori, som är dolda för oss, eftersom de är krullade upp i Planck-storlek bollar. Enligt några av modellerna med sådan mångimensionellitet tränger gravitationskraften in i var och en av dessa dimensioner och är därför så svag i vår tredimensionella värld. Detta höjer emellertid möjligheten att mörk materia är gömd i dessa sammankopplade dimensioner och manifesterar sig endast tack vare den allestädes tyngdkraften. Det finns också exotiska förklaringar för mörk materia förknippade med topologiska defekter av kvantfält,som uppstod under Big Bang finns det också en hypotes som förklarar mörk materia genom rymdtidens brott och det råder ingen tvekan om att om det behövs kommer teoretiska fysiker att komma med något annat inte mindre originalt. Det viktigaste är att lägga till den enda korrekta förklaringen till denna lista.
