De letar efter mörk materia på jorden, under jorden och i rymden. Dess mystiska partiklar är osynliga för vetenskapliga instrument och manifesterar sig inte någonstans. En solid "evidensbas" har dock samlats in till förmån för deras existens. Har forskare en chans att någonsin upptäcka mörk materia.
En nyckelkomponent i universum
Partiklar av mörk materia föddes strax efter Big Bang, när universum var en glödande plasma. När de svalnade bildade de klumpar som så småningom gav upphov till stjärnor och galaxer. Om plasma endast innehöll vanliga partiklar som utgör atomerna, skulle strålningen stöta bort dem från varandra och inte tillåta dem att bilda några strukturer. Gravitationsbundna föremål dyker upp tillräckligt snabbt, vilket betyder att något hjälpte dem. Någon massiv substans höll dem tillbaka. Nu interagerar det inte på något sätt med vanlig materia, strålar inte, därför observerar vi det inte på något sätt.
Detta är hur forskare rekonstruerar universums utveckling, som skulle vara ofullständig utan deltagande av mörk materia. Denna slutsats nåddes redan på 1930-talet av den schweiziska astronomen Fritz Zwicky. Han studerade kluster av galaxer och undrade varför de inte sprids. När allt kommer omkring är massan av de synliga galaxerna inte tillräcklig för att hålla klustret. Därför måste det finnas en dold massa. Senare fann denna hypotes många bekräftelser på anomalierna i galaxernas rotationshastigheter: delarna av skivorna långt från centrum saktar knappast ner, som det skulle vara om de bara bestod av stjärnor.
Gravitationslinser gör det möjligt att indirekt fånga närvaron av dold massa. Denna effekt skapas av två massiva galaxer som ligger bakom varandra. Ljus från en avlägsen galax böjs av gravitationsfältet hos en närliggande, och som i en lins visas dess bild. Detta ger viss inblick i den mörka materien i galaxer som bildar en enorm osynlig gloria runt dem. Med hjälp av olika modeller beräknar forskare densitetsfördelningen av mörk materia i gloria och gör på denna grund gissningar om strukturen.
Till vänster - gloria av mörk materia i galaxen NGC 4555.
Kampanjvideo:
Mörk materiens sammansättning
Fysiker är benägna att tro att mörk materia består av partiklar okända för oss.
”Astrofysiska observationsmetoder säger ingenting om deras egenskaper. Det är möjligt att de inte interagerar på något sätt förutom gravitationsmetoden. Kanske leder varken direkta experiment på jorden eller observationer i rymden till någonting. Detta måste alltid komma ihåg, säger Dmitry Gorbunov, motsvarande medlem av Ryska vetenskapsakademin, chefsforskare vid Institutet för kärnforskning vid Ryska vetenskapsakademin till RIA Novosti.
Kandidater för rollen som mörka partiklar inkluderar ultralätta axioner, svagt interagerande partiklar (WIMP) och en steril neutrino som hjälper till att förklara massan och svängningen av solneutriner.
”Den lättaste sterila neutrinoen kan mycket väl vara en partikel av mörk materia. Det är inte stabilt, men det lever mycket länge. I galaxen bör sådana partiklar förfalla till neutriner och en foton. De snurrar långsamt (10-3 gånger ljusets hastighet), så det förväntas en topp i röntgenområdet i foton-spektrumet, säger forskaren.
Enligt honom ska en bra spektrometer skickas i omloppsbana för att försöka registrera sådana händelser.
För två år sedan modellerade Gorbunov och kollegor en av hypoteserna om en instabil komponent av mörk materia för att förklara avvikelsen i resultaten av Planck Space Telescope-experimentet, som mätte CMB. Kanske var detta ett misstag eller kanske en indikation på någon egenskap hos mörk materia. Forskare har föreslagit att den mörka substansen är heterogen i sammansättning och att en del av den inte har överlevt till denna dag.
På jakt efter mörka partiklar
Hur man fångar upp partiklar av mörk materia är en av de viktigaste frågorna i fysik. Många teoretiker och experimenterar försöker svara på det. Observationssättet beror på modellen, där alla hypotetiska partikelns egenskaper läggs. Om vi antar att mörk materia var i jämvikt i plasma i det tidiga universumet - och det fanns vanliga partiklar också - betyder det att det på något sätt interagerar med dem. Av alla kända typer av interaktioner, förutom den gravitationella, är den mest lämpliga den svaga, som inträffar under beta-förfallet hos en atomkärna.
"Enligt detta antagande kvarstår den nödvändiga mängden mörk materia efter det att den primära plasman har svalnat", förklarar Dmitry Gorbunov.
Baserat på detta kan mörka partiklar förstöras med bildandet av en elektron och en positron. De letar efter spår av dessa förintelser, men detta är i alla fall omständliga bevis. Dessutom är resultaten ganska otydliga, partiklar avböjs, flyger runt galaxen, förintar, tappar energi, och det som når jorden är svårt att urskilja mot bakgrund av kosmiska strålar.
De försöker observera mörka partiklar direkt i underjordiska detektorer som registrerar neutriner. Under marken minskar bakgrunden från atmosfäriska partiklar, detektorsubstansen svalnar och du måste vänta på att en mörk materiepartikel ska träffa den. Dessa händelser är sällsynta i sig, för om en partikel interagerar är den svag. Påverkan orsakar excitering av atomen och en energiutbrott som registreras av detektorn.
Samtidigt är det omöjligt att oändligt öka volymen på detektorsubstansen för att öka sannolikheten för passage av mörka partiklar utan förlust av känslighet. Dessutom stör neutrino signalen. För att stänga av den kan du behöva bygga en helt ny detektor för att gå under denna signal.
”Det är nödvändigt att använda detekteringen av partikelstötets riktning. Detta kommer att undertrycka bakgrunden avsevärt, eftersom neutriner flyger i riktning från solen och mörk materia kommer att slå i andra riktningar, säger forskaren.
Den tredje riktningen är skapandet av en mörk materiepartikel som ett resultat av kollisionen med vanliga partiklar vid LHC och andra acceleratorer. För observatören kommer det att se ut som till exempel en foton som flyger bort åt sidan. Enligt lagen om bevarande av momentum bör en partikel också flyga ut i andra riktningen, men det finns ingen. Så hon är osynlig.
Hittills har inget av sätten att fånga mörka materiepartiklar varit framgångsrika. Det är inte ens klart vilken av dem som är mest lovande.
Sammansättning av universum / illustration av RIA Novosti.
Tatiana Pichugina
