Fremkomsten af mørkt stof
Nogle gange ser det ud til, at det selv er mørk materie, der hævner sig for forskere for den uopmærksomhed, som dens opdagelse blev mødt for mere end 80 år siden. Derefter, i 1933, opdagede den amerikanske astronom af schweizisk oprindelse Fritz Zwicky, der observerede seks hundrede galakser i Coma-klyngen beliggende 300 millioner lysår fra Mælkevejen, at massen af denne klynge, der er bestemt ud fra galakernes bevægelseshastighed, er 50 gange større end massen beregnet ved at estimere stjerners lysstyrke.
Da han ikke havde den mindste idé om, hvad denne masseforskel er, gav han den den nu officielle definition - mørk materie.
I meget lang tid var meget få mennesker interesseret i mørk stof. Astronomer troede, at problemet med skjult masse ville blive løst af sig selv, når det var muligt at indsamle mere komplet information om kosmisk gas og meget svage stjerner. Situationen begyndte at ændre sig, efter at de amerikanske astronomer Vera Rubin og Kent Ford i 1970 offentliggjorde resultaterne af målinger af hastigheden for stjerner og gasskyer i den store spiralgalakse M31 - Andromeda-tågen. Mod alle forventninger viste det sig, at langt fra dets centrum er disse hastigheder tilnærmelsesvis konstante, hvilket modsatte sig den newtonske mekanik og kun blev forklaret under antagelsen af, at en stor mængde usynlig masse omgiver galaksen.
Når du støder på et fænomen, som intet kendes, kan et stort antal forklaringer tilskrives det, og det eneste, der er tilbage, er at sortere dem én efter én, afvise de ubrukelige og opfinde nye undervejs. Desuden er det ikke en kendsgerning, at det blandt alle disse forklaringer vil være korrekt. Perifere stjerners upassende opførsel kunne forklares ved at bevæge sig i to retninger - ved let at korrigere Newtons love eller erkende, at der er stof i verden, der er forskellig fra vores, som vi ikke ser, fordi partiklerne, som den er sammensat af, ikke deltager i elektromagnetisk interaktion, de udsender ikke lys og absorberer ikke det og interagerer kun med vores verden gennem tyngdekraften.
Var Newton forkert?
Den første retning, det vil sige mod-newtonsk korrektion, udviklede sig temmelig træg. Sandt nok, i 1983 skabte den israelske teoretiker Mordechai Milgrom den såkaldte modificerede Newtonske mekanik, hvor små accelerationer reagerer på en fungerende kraft noget anderledes end den måde, vi blev undervist på i skolen. Denne teori fandt mange tilhængere og blev snart udviklet i en sådan grad, at behovet for mørk stof forsvandt. Det er bemærkelsesværdigt, at Vera Rubin selv, en internationalt anerkendt pioner inden for studiet af mørk stof, altid har været tilbøjelig til at ændre Newtons love - det ser ud til, at hun simpelthen ikke kunne lide ideen om et stof, der er rigeligt, men som ingen nogensinde har set.
Salgsfremmende video:
Den undvigende wimp
Der er mange kandidater til mørke stofpartikler, og for de fleste af dem er der et generaliserende og næsten meningsløst navn "WIMPs" - dette er den engelske forkortelse WIMPs, dannet fra udtrykket "Weakly Interacting Massive Particles", eller "svagt interagerende massive partikler". Med andre ord, dette er partikler, der kun deltager i gravitationsmæssige og svage interaktioner - dens virkning strækker sig til dimensioner, der er meget mindre end dimensioner af atomkernen. Det er på jagt efter disse WIMP'er som den mest suggestive forklaring, at forskernes vigtigste indsats er rettet i dag.
WIMP-detektorer, især dem, der fanger dem til xenon, ligner i princippet neutrino-fælder. På én gang blev det endda troet, at neutrinoen er den meget undvigende WIMP. Men massen af denne partikel viste sig at være for lille - det vides, at 84,5% af al stof i universet er mørk stof, og ifølge beregninger vil der ikke være så mange neutrinoer i denne masse.
Princippet er enkelt. Tag, sig, xenon som den tyngste af de ædelgasser, afkølet til nitrogentemperaturer og helst lavere, beskyttet mod unødvendige "gæster", såsom kosmiske stråler, der installeres en masse fotoceller omkring xenonbeholderen, og hele dette system, der ligger dybt under jorden, fortsætter med at vente. Fordi du er nødt til at vente længe - ifølge beregninger, bør længden af en fælde med xenon, som vil være i stand til at fange en WIMP, der passerer gennem den med 50 procents sandsynlighed, være 200 lysår!
Her menes fangst enten flygtningen af wimp nær xenonatomet, og flyvningen i en sådan afstand, hvor den svage interaktion allerede fungerer, eller et direkte hit i kernen. I det første tilfælde vil den ydre elektron i xenonatom blive slået ud af sin bane, som registreres ved ændringen i ladning, i det andet springer det til et andet niveau og vender straks "hjem" med den efterfølgende udsendelse af en foton, der derefter registreres af fotomultiplikatorer.
Sensation eller fejl?
Imidlertid er "simpelt" ikke det rigtige ord, når det anvendes til WIMP-detektorer. Det er ikke meget let og meget dyrt. En af disse detektorer under det ukomplicerede navn Xenon blev installeret i det underjordiske italienske laboratorium i Gran Sasso. Hidtil er det blevet ændret to gange og bærer nu navnet Xenon1T. Det renses grundigt for urenheder, der kan føre til signaler, der ligner signaler fra mørkt stof. For eksempel fra et af de typiske forurenende stoffer - den radioaktive isotop krypton-85. Dens indhold i kommerciel xenon er kun et par dele pr. Million, men når man leder efter WIMP'er er det fuldstændig snavs. Start med den anden ændring af installationen - Xenon100 - fysikere renser derfor desuden xenon, hvilket reducerer koncentrationen af det forurenende stof til hundreder af dele pr. Billioner.
XENON100 detektor
Foto: Wikimedia Commons
Og når det blev tændt for detektoren, sagde de naturligvis den elskede”næsten næsten”. Under den første 100-dages observationssession registrerede forskere op til tre impulser, meget lig signalerne fra flyvende WIMP'er. De troede ikke på sig selv, selvom de sandsynligvis virkelig ville tro, men det var 2011, der allerede var præget af en stærk punktering: Fysikere opdagede, at neutrinoer, der ankom dem fra CERN i løbet af et andet eksperiment, flyver med en hastighed, der overstiger lysets hastighed. Videnskabsfolk, efter at det syntes, alt, hvad der kun kan verificeres, vendte sig til det videnskabelige samfund med en anmodning om at se, hvad der gik galt. Kolleger så og kunne ikke finde fejl og sagde dog, at dette ikke kunne være, for det kunne aldrig være. Og så skete det: punkteringen, som det viste sig, var kun et stik med en dårlig kontakt, hvilket var vanskeligt at bemærke.
Og nu, under en sådan fiaskos vægt, stod forskere igen over for et valg. Hvis dette er WIMPS, er dette en garanteret Nobelpris og en øjeblikkelig. Og hvis ikke? Anden gang ønskede de ikke at blive vanæret, og de begyndte at tjekke og tjekke igen. Som et resultat viste det sig, at to af de tre signaler meget vel kan være parasitiske signaler fra forurening med baggrundsforurening, som ikke blev fuldstændigt elimineret. Og det resterende signal kom overhovedet ikke ind i statistikker, så det bedste ville være at glemme det og ikke huske mere.
Detektoren så "intet"
En anden "næsten" lød, da repræsentanter for samarbejdet, der arbejdede med den mest følsomme detektor for mørke stoffer LUX (Large Underground Xenon), som ligger i en forladt guldgruve i South Dakota, meddelte, at de havde ændret detektorens kalibrering. Derefter havde de et håb, der grænser op til sikkerhed, om, at den længe ventede "næsten" endelig ville gå i opfyldelse. LUX-detektoren, der fra den første dag af sin eksistens var meget mere følsom end den italienske, er dobbelt så følsom over for svære WIMP'er og 20 gange så følsom over for lunger.
LUX-detektor
Foto: Stor underjordisk Xenon-detektor
Under den første 300-dages observationssession, der begyndte i sommeren 2012 og sluttede i april 2013, så LUX ikke noget, selv ikke hvor det i det mindste kunne se noget af høflighed. Som Yale Universitets Daniel McKinsey, medlem af LUX-samarbejdet, sagde: "Vi så intet, men vi så dette 'intet' bedre end nogen foran os."
Som et resultat af dette "intet" blev adskillige lovende versioner helt kasseret på én gang, især i forhold til "lette" WIMP'er. Hvilket ikke føjede til samarbejdet med sympatisører blandt dem, hvis versioner blev afvist af LUX. Kolleger angreb dem med en hel masse irettesættelser for deres manglende evne til at opstille eksperimentet korrekt - reaktionen er ganske standard og forventet.
Fysikere ved absolut intet om massen af WIMP'er - hvis de overhovedet findes. Nu udføres søgningen i massområdet fra 1 til 100 GeV (protonmassen er ca. 1 GeV). Mange forskere drømmer om WIMP'er med en masse på hundrede protoner, fordi partikler med en sådan masse er forudsagt af den supersymmetriske teori, som faktisk ikke er blevet en teori, men kun er en meget smuk, men spekulativ model, og som mange forudsiger skæbnen for efterfølgeren til Standardmodellen. Dette ville være en rigtig gave til tilhængere af supersymmetri, især nu, når eksperimentet på Large Hadron Collider endnu ikke har registreret nogen af de partikler, den forudsagde.
Den anden observationssession på LUX-detektoren, der afsluttes næste år, skulle takket være de i begyndelsen nævnte kalibreringer alvorligt øge detektorfølsomheden og hjælpe med at fange wimps af forskellige masser (tidligere var LUX indstillet til den højeste følsomhed på ca. 34 GeV), og detekterede deres signaler, hvor de blev tidligere ignoreret. Med andre ord, næste år venter endnu et og meget afgørende”næsten” på os.
Hvis dette”næsten” ikke sker, er det også okay: den næste LZ-detektor, som er meget mere følsom, er allerede klar til at erstatte LUX. Det forventes at blive lanceret flere år senere. Samtidig forbereder DARWIN-samarbejdet et "monster" med en kapacitet på 25 ton xenon, hvor LUX med sine 370 kg gas virker "blind" og ubrugelig til noget. Så det ser ud som wimpam - hvis de findes - simpelthen ikke har nogen steder at skjule, og før eller senere vil de gøre sig gjeldende. Fysikere giver dem ikke mere end ti år til dette.
Wimp eller wisp?
Hvis wimps fortsætter med at blive ved med at undgå, er der stadig en aksion, som også skal jages. Axioner er hypotetiske partikler, der blev introduceret i 1977 af de amerikanske fysikere Roberto Peccei og Helen Quinn for at befri kvantekromodynamik fra nogle symmetribrud. Disse er faktisk også Wimps, der hører til underkategorien lettere wirps (Weakly Interacting Slim Particles), men de har en særegenhed: I et stærkt magnetisk felt skal de inducere fotoner, hvorved de let kan opdages.
I dag er få mennesker interesseret i aksioner, og ikke engang fordi folk ikke tror på dem for meget, og ikke fordi deres registrering er forbundet med nogle særlige vanskeligheder, er det bare, at deres søgning er forbundet med for store udgifter. For at aksionen skal begynde at konvertere virtuelle fotoner til reelle, er der brug for meget stærke magnetfelter - interessant nok findes magneter med de krævede felter allerede. Markedet tilbyder 18 Tesla-magneter, der er eksperimentelle 32 Tesla-magneter, men dette er meget dyre maskiner og ikke let at få. Derudover tror de, som finansieringen af sådan forskning afhænger ikke rigtig på virkeligheden om eksistensen af aksioner. Måske en dag vil behovet for at søge efter akser gøre disse økonomiske vanskeligheder uovervindelige, og på det tidspunkt kan magneterne blive billigere.
På trods af den tilsyneladende uendelige og frugtløse forfølgelse af WIMP'er, går tingene faktisk godt. Til at begynde med skal du udarbejde den enkleste og mest indlysende version - wimps. Når de findes, og deres masse er kendt, bliver fysikere nødt til at tænke over, hvad disse WIMP'er er - er de virkelig tunge neutralinoer, et kvantesæt af superpartnere i fotonen, Z-boson og Higgs boson, som de fleste fysikere nu antager, eller noget- noget andet. Hvis WIMP'er ikke findes i hele række mulige masser, er det nødvendigt at overveje alternative muligheder - for eksempel se efter WIMP'er på andre måder. For eksempel, hvis dette er den berømte Majorana fermion, som i sig selv er et antipartikel, skal sådanne fermioner, når de møtes, udslette, omdannes til stråling og efterlade en hukommelse om sig selv i form af et overskud af fotoner.
Hvis der ikke er nogen måde at registrere WIMP'er, som faktisk synes usandsynlige, vil det være muligt at se nærmere på mulighederne med ændret Newtonsk mekanik. Det vil også være muligt at tjekke (det er endnu ikke klart hvordan) en helt fantastisk version forbundet med de syv ekstra dimensioner, der er forudsagt af strengteori, som er skjult for os, da de er sammenbøjet til bolde af Planck-størrelse. I henhold til nogle af modellerne for sådan multidimensionalitet trækker tyngdekraften ind i hver af disse dimensioner og er derfor så svag i vores tredimensionelle verden. Dette rejser dog muligheden for, at mørkt stof er skjult i disse sammenkapslede dimensioner og manifesterer sig kun takket være den allestedsnærværende tyngdekraft. Der er også eksotiske forklaringer på mørkt stof forbundet med topologiske defekter af kvantefelter,der opstår under Big Bang, er der også en hypotese, der forklarer mørkt stof ved hjælp af rumtidens brud, og der er ingen tvivl om, at om nødvendigt vil teoretiske fysikere komme med noget andet ikke mindre originalt. Det vigtigste er at tilføje den eneste korrekte forklaring til denne liste.