„Dark Matter Just Got Murkier“

{h1}

Neatradimas verčia fizikus permąstyti, kaip jie galvoja apie tamsiąją medžiagą, paslaptingą „medžiagą“, persmelkiančią visatą.

Donas Linkolnas yra vyresnysis mokslininkas JAV Energetikos departamento „Fermilab“ - didžiausioje Amerikoje - „Large Hadron Collider“ tyrimų įstaigoje. Jis taip pat rašo apie mokslą visuomenei, įskaitant naujausius „Didelis hadronų susidūrėjas: nepaprastas Higso Bosono pasakojimas ir kiti dalykai, kurie sujaudins jūsų mintis"(Johns Hopkins University Press, 2014). Galite sekti juoFacebook. Šį straipsnį „Lincoln“ pridėjo prie „WordsSideKick.com's“ Ekspertų balsai: op-ed ir įžvalgos.

Jie sako, kad meilė verčia pasaulį apeiti, ir tai gali būti tiesa. Bet kai pažvelgi į dalykus daug platesniu mastu, sakyk galaktikų dydį, meilės vien nepakanka. Ir šiuo atveju nėra ir pačių galaktikų žvaigždžių. Tiesą sakant, tai, kas priverčia apeiti galaktikas, yra dalykas, kuris niekada nebuvo tiesiogiai stebimas. Tas neatrastas „daiktas“ vadinamas tamsiąja materija, o neseniai buvo paskelbtas nuostabus naujas matavimas, dėl kurio mokslo pasaulis turi permąstyti ilgai vykusias mintis.

Naujausias indėlis į mūsų žinias apie tamsiąją medžiagą buvo padarytas bendradarbiaujant dideliam požeminiam ksenonui (LUX). LUX yra indas, sudarytas iš trečdalio tonos skysto ksenono, ir tai yra galingiausias kada nors pastatytas tamsiųjų medžiagų detektorius. Ši tamsiųjų medžiagų laboratorija, įsikūrusi prie Sanfordo metro tyrimų centro (SURF), yra beveik mylios atstumu po Juodosiomis kalvomis, netoli Švino, Pietų Dakotos valstijoje. Jis skirtas retkarčiais aptikti garuojančią tamsiosios medžiagos vėją, kuris, kaip manoma, sklinda pro Saulės sistemą. [6 puikios metro mokslo laboratorijos]

Ir dalykas yra tai, kad jis nieko nenustatė. Šis neatradimas yra tai, kas priverčia fizikus pergalvoti, kaip jie galvoja apie tamsiąją medžiagą.

Nesulaikomos galaktikos

Tamsioji materija yra atsakymas į beveik šimtmečio senumo problemą. Dešimtojo dešimtmečio pradžioje, netrukus po to, kai astronomai suprato, kad visata susideda iš daugybės galaktikų, mokslininkai atkreipė dėmesį į tai, kaip žvaigždės orbitavo galaktikose - iš esmės, kaip galaktikos sukasi. Olandų astronomas Janas Oortas pritaikė Niutono judesio ir gravitacijos dėsnius stebimam dalykui mūsų pačių Pieno kelyje ir nustatė, kad mūsų galaktika pasisuko greičiau, nei jis buvo apskaičiavęs. Paaiškėjo, kad Paukščių Takas buvo dvigubai didesnis už astronomų apskaičiuotą masę. Be abejo, tai vyko epochoje, kai atsirado tiksli galaktikos astronomija, o nesutarimas tarp skaičiavimo ir matavimo tik du kartus buvo laikomas puikiu susitarimu.

Smurtinis galaktikų klasterių susidūrimas suformavo „Abell 520“ galaktikų klasterį. Ant vaizdo sudėti melagingų spalvų žemėlapiai atskleidžia didžiausią masės koncentraciją sankaupoje (mėlyna), kurioje, mokslininkų teigimu, dominuoja tamsiosios medžiagos.

Smurtinis galaktikų klasterių susidūrimas suformavo „Abell 520“ galaktikų klasterį. Ant vaizdo sudėti melagingų spalvų žemėlapiai atskleidžia didžiausią masės koncentraciją sankaupoje (mėlyna), kurioje, mokslininkų teigimu, dominuoja tamsiosios medžiagos.

Kreditas: ASA, ESA, CFHT, CXO, M. J. Jee (Kalifornijos universitetas, Davisas) ir A. Mahdavi (San Fransisko valstybinis universitetas)

Tačiau netrukus po Oorto išmatavimo Bulgarijos ir Šveicarijos astronomas Fritzas Zwicky tyrė „Coma Cluster“ - didelę daugiau nei tūkstančio galaktikų grupę, kurią milžiniškoje struktūroje jungė tarpusavio sunkumas. Išmatavęs galaktikų greitį, jis nustatė, kad jos taip pat juda per greitai, kad švelnus gravitacijos vilkikas galėtų jas išlaikyti. Pagal visas teises klasteris turėjo atsiriboti. Bet to nepadarė. Jis apskaičiavo, kad spiečius turėjo 400 kartų daugiau materijos, nei buvo galima įžvelgti įprastais teleskopais. Šiuolaikiniai matavimai sumažino šį skaičių, tačiau vis dar manoma, kad neatitikimas yra koeficientas 100. Zwicky pasiūlė, kad egzistuoja koks nors neregėtas materijos tipas, jungiantis klasterį, kurį jis pavadino „dunkle Materie“, arba tamsiąją medžiagą. [TED-Ex pokalbiai: kaip tamsiosios medžiagos paaiškina žvaigždės greitį?]

Aštuntajame dešimtmetyje astronomas Vera Rubinas, bandydamas atkreipti dėmesį į galaktikų sukimosi kreives, bandė rasti neginčijamą temą, kurią studijuoti. Tai yra žvaigždžių orbitos greičio galaktikose matavimas, atsižvelgiant į jų atstumą nuo centro. Ji nustatė, kad matavimai labai gerai sutapo su prognozėmis galaktikos centre ir net artėjo prie periferijos. Bet pačiame galaktikos pakraštyje žvaigždės orbitavo kur kas greičiau, nei galėtų sutalpinti žinomi fizikos įstatymai ir stebima materija. Atrodė, kad tamsioji Zwicky materija gali būti rodoma ir galaktikų interjeruose. (Aišku, Rubinui nepavyko epiškai bandyti rasti neginčijamą temą.)

Per kelis dešimtmečius buvo pasiūlytos kelios idėjos paaiškinti platų astronominių paslapčių rinkinį, pradedant nuo to, kad Niutono judėjimo dėsniai gali būti netaikomi, kai pagreičiai tampa maži, iki idėjos, kad tiek Niutonas, tiek Einšteinas klysta dėl gravitacijos. Šios hipotezės neišlaikė griežto testavimo. Kita mintis buvo ta, kad galbūt visatoje egzistuoja materijos tipai, kurie neišskiria elektromagnetinės energijos... tai buvo Zwicky'io tamsiosios materijos.

Tačiau net ir čia buvo daug galimybių. Labiausiai tikėtinas variantas buvo tas, kad visatoje gyveno juodų skylių, rudų nykštukų, nesąžiningų planetų ir kitų tamsių daiktų, kuriuos sudarė tos pačios rūšies paprastosios medžiagos, sudarančios matomą visatos komponentą, menceris. Šie objektai yra masyvūs, kompaktiški ir pakankamai šalti, kad neišskiria šviesos kaip žvaigždės. Buvo rasta keletas panašių objektų, tačiau jų nepakanka paslapčiai išspręsti. Dešimtojo dešimtmečio astronominiai tyrimai taip pat visiškai atmetė šią idėją. Paėmęs Šerloko Holmso puslapį „Keturių ženklas“, kuriame jis pasakė: „Kai atmesite neįmanomą, viskas, kas lieka neįtikėtina, turi būti tiesa“, mokslininkai buvo priversti daryti išvadą, kad nauja forma nematomos tamsiosios materijos skverbiasi į visatą. Galbūt dar labiau stebina, kad ten yra penkis kartus daugiau tamsiosios medžiagos nei įprasta.

Tamsiosios medžiagos savybės

Mes niekada tiesiogiai nestebėjome tamsiosios materijos, tačiau daug žinome apie tai, kokia ji turi būti: Ji turi būti didžiulė (nes ji turi įtakos galaktikų sukimuisi); jis turi būti elektriškai neutralus (nes mes jo nematome); jis turi skirtis nuo įprasto materijos (nes nematome įrodymų, kad jis sąveikautų su materija įprastais būdais); ir jis turi būti stabilus (nes egzistavo nuo visatos aušros). Šios savybės yra nedviprasmiškos.

Tačiau mes tiksliai nežinome, kas tai yra. Populiariausioje bendrinėje teorijoje tamsiosios materijos dalelė vadinama WIMP, skirta silpnai sąveikaujančiai masinei dalelėms. WIMP yra tarsi sunkūs neutronai (bet tikrai ne neutronai), kurių masė yra 10–100 kartų sunkesnė už protoną. Jie buvo sukurti dideliais kiekiais Didžiojo sprogimo metu ir nedidelis relikvijos liekanas išlieka iki šių dienų.

Kai kosmologai prideda WIMP idėją prie savo didžiojo sprogimo idėjų, jie gali apskaičiuoti, kaip ji sąveikaus. Jie nustato, kad ankstyviausiuose visatos etapuose WIMP buvo dominuojanti materijos forma, tačiau visatai plečiantis ir aušinant bei sąveikos greičiui nukritus iki nulio, WIMP reliktų kiekis yra maždaug penkis kartus didesnis nei įprastos materijos. Kartu su tuo, kad WIMP idėja taip pat gali paaiškinti neatidėliotiną teorinę paslaptį, kodėl Higso bozono dalelės turi tokią mažą masę, mokslininkai tai vadina „WIMP stebuklu“, atsižvelgiant į tai, kad WIMP idėja, atrodo, atsiliepia tiek daug klausimai.

Tamsus neatradimas

Taigi tai sugrąžina mus į LUX eksperimentą. Tai tiesiog naujausias ir galingiausias eksperimentas, skirtas aptikti WIMP. Idėja yra ta, kad detektorius ilgai sėdės po žeme, tarkime, metus ar daugiau, o retas WIMP įsikibs į ksenono atomą ir bus aptiktas. (Detektorius yra palaidotas po žeme, kad apsaugotų jį nuo kosminių spindulių, kurie galėtų įsilieti į ksenono atomus ir suklastoti tamsiosios medžiagos aptikimą. Būdamas pus mylią ar mylią po žeme sustabdo beveik visus kosminius spindulius.)

Aukščiau esantis tūris, kuris yra dalis Didžiojo pogrindžio ksenono bendradarbiavimo, bus užpildytas skystu ksenonu ir galima aptikti bet kokią sąveiką su ksenonu, galbūt atskleidžiant tamsiosios medžiagos atpažinimo pobūdį.

Aukščiau esantis tūris, kuris yra dalis Didžiojo pogrindžio ksenono bendradarbiavimo, bus užpildytas skystu ksenonu ir galima aptikti bet kokią sąveiką su ksenonu, galbūt atskleidžiant tamsiosios medžiagos atpažinimo pobūdį.

Kreditas: C.H. nuotr. Fahamas

Rugpjūčio 27 d. LUX tyrėjai paskelbė savo rezultatus. Jie nematė jokių tamsiosios medžiagos WIMP įrodymų.

Taigi tai tikrai ne taip stebina. Buvo dešimtys eksperimentų, kurių metu buvo ieškoma tamsiosios medžiagos ir nieko nerasta. Šia prasme LUX įstojo į garbingą grupę. Tačiau LUX taip pat yra kur kas pajėgesnis. Buvo tikimasi, kad jis suras geriau WIMP nei bet kuris kitas aparatas.

Bet to nepadarė.

Taigi ar tai reiškia, kad WIMP idėja negyva? Ne tikrai ne. Tamsiosios materijos detektoriai yra optimizuoti taip, kad būtų jautrūs tam tikroms grupėms, pavyzdžiui, kaip tam tikras mikrofonas geriau pakelia tenoro balsus, nei girdi sopraną ar bosą. LUX buvo optimizuotas, norint rasti WIMP, kurio masė yra keliasdešimt kartų sunkesnė už protoną. Iš tikrųjų tai atmetė WIMP, turinčio 50 kartų didesnį protono kiekį su įspūdingu atmetimu. Tačiau LUX ne taip gerai aptinka WIMP, kurių masė mažesnė nei 10 kartų didesnė už protono masę. Ir jei WIMP yra ir jų masė yra 1000 kartų sunkesnė už protoną, tai taip pat nėra optimalus LUX tyrimo diapazonas. Taigi lieka masė, kurioje gali egzistuoti WIMP.

Ašys, tamsus gyvenimas ir tamsus užtaisas

Vis dėlto WIMP buvo paprasčiausia tamsiosios medžiagos idėja. Yra ir kitų hipotezių. Viena hipotezė nurodo dalelę, vadinamą steriliu neutrinu, kuri yra labiau pažįstamo neutrino pusbrolis, susidaręs branduolinėse reakcijose. Tiesą sakant, didžiausio netoliese esančio branduolinio reaktoriaus (saulės) neutrinai nuolatos kliudo Žemę. Skirtingai nuo įprastų neutrinų, kurie yra ultralengvieji ir sąveikauja per silpną branduolinę jėgą, sterilūs neutrinai yra sunkūs ir nepatiria silpnos jėgos. Būtent sunki masė ir nesąveikaujančios savybės daro sterilų neutriną idealiu kandidatu į tamsiąją medžiagą.

Kita galimo tamsiosios medžiagos dalelė, ašis, buvo pasiūlyta 1977 m., Kaip būdas užtikrinti, kad stipri atominė jėga medžiagas ir antimateriją apdorotų lygiomis sąlygomis (kad sutiktume su pastebėjimais). Ašis yra labai lengva, tačiau vis dar masyvi hipotetinė dalelė. LUX detektorius nėra skirtas ašims tirti.

Tada, žinoma, yra dar kūrybingesnė hipotezė, kuri leidžia manyti, kad tamsiosios medžiagos nėra viena, neutrali, nesąveikaujanti dalelė. Juk paprastas dalykas yra gana sudėtingas. Kvantinėje skalėje turime kvarkus ir leptonus bei keturias jėgas. Makro mastu mes turime jus ir mane, cukrų ir žvaigždes bei ugnikalnius ir visus įvairius jų sąveikos būdus. Įprasta materija turi visokias sąveikas ir sudedamąsias dalis. Kodėl gi ne tamsiosios medžiagos? [7 keistai faktai apie kvarkus]

Remiantis šia hipoteze, tamsiosios medžiagos gali būti „tamsiosios įkrovos“ arba tamsiosios medžiagos formos elektrinis krūvis. Tuo pačiu būdu, kad tamsiosios materijos nepatiria tamsaus krūvio, galbūt paprastoji materija nepatiria tamsaus krūvio. Šis tamsus krūvis sąveikautų su tamsiais fotonais arba tamsiais paprastų šviesos dalelių dvyniais.

Ir dar drąsiau, galbūt, tamsiosios materijos patiria daugybę jėgų ir egzistuoja visas sudėtingas tamsusis sektorius, kuriame yra tamsūs atomai ir tamsios molekulės ir galbūt net tamsus gyvenimas. Mes galime nustatyti šios galimos tamsios sąveikos suvaržymus; Pavyzdžiui, mes pakankamai žinome, kad negalime atmesti tamsių žvaigždžių ir planetų, tačiau galimi ir tamsūs asteroidai. Vėlgi, LUX apie šias naujas idėjas nutyli.

Neteisinga sakyti, kad LUX matavimas sukelia dalelių fizikos ir kosmologijos krizę. Bet tai neabejotinai suteikia mokslininkams pauzę ir siūlo, kad galbūt turėtume dar kartą pažvelgti į šį WIMP dalyką. Galbūt reikia persvarstyti kitas idėjas. Kita vertus, mokslininkai, norintys toliau tęsti WIMP idėją, vis dar turi ko tikėtis tobulėjant technologijoms. LUX sunaudoja trečdalį tonos skysto ksenono. Per 10 ar 15 metų mokslininkai planuoja pastatyti detektorius, kuriuose gali būti 100 tonų, suteikiant dar daugiau galimybių užfiksuoti tą retą WIMP sąveiką. Tai yra niūrus laikas būti tamsiosios medžiagos mokslininku.

Bet galų gale mes vis dar nežinome. Mes tiesiog žinome, kad LUX galimybės yra pakankamai geros, kad galbūt laikas išplėsti savo mąstymą. Roko grupės „Buffalo Springfield“ žodžiais: „Čia kažkas vyksta. Kas neaišku, tiksliai...“

Sekite visas „Expert Voices“ problemas ir diskusijas - ir tapkite diskusijos dalimi „Facebook“, „Twitter“ ir „Google+“. Išreikštos autoriaus nuomonės ir nebūtinai atspindinčios leidėjo nuomones. Ši straipsnio versija iš pradžių buvo paskelbta „WordsSideKick.com“.


Vaizdo Papildas: .




Tyrimas


Ką Daryti, Jei Žemės Magnetinis Laukas Apvirsta?
Ką Daryti, Jei Žemės Magnetinis Laukas Apvirsta?

Ar Jūsų Etninė Priklausomybė Gali Paveikti Oro Toleranciją?
Ar Jūsų Etninė Priklausomybė Gali Paveikti Oro Toleranciją?

Mokslas Naujienos


Kaip Veikia Saulės Spindulių Lenktynininkas?
Kaip Veikia Saulės Spindulių Lenktynininkas?

Niekas To Ugnikalnio Neišvarė... Išskyrus Nasa Palydovus
Niekas To Ugnikalnio Neišvarė... Išskyrus Nasa Palydovus

Naujausias „Mars Hoax“: Marso Dvigubo Saulėlydžio Nuotrauka
Naujausias „Mars Hoax“: Marso Dvigubo Saulėlydžio Nuotrauka

Kodėl Visur Medžiai Lūžta Tuo Pačiu Vėjo Greičiu
Kodėl Visur Medžiai Lūžta Tuo Pačiu Vėjo Greičiu

Aukščiausias Pasaulio Primatas Šaukiasi Lyg Šikšnosparnis
Aukščiausias Pasaulio Primatas Šaukiasi Lyg Šikšnosparnis


LT.WordsSideKick.com
Visos Teisės Saugomos!
Dauginti Jokių Medžiagų Leidžiama Tik Prostanovkoy Aktyvią Nuorodą Į Svetainę LT.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LT.WordsSideKick.com