Peter Tucker
0 
5018
679
Fizycy poszukujący niewidzialnej ręki, która kształtuje nasz wszechświat i znajdujące się w nim galaktyki, zwrócili swój wzrok na ciemną stronę. W szczególności jeden zespół szuka za każdą kosmiczną skałą tak zwanych ciemnych fotonów, które mogłyby przenosić nieznaną wcześniej siłę natury.
Te fotony pośredniczyłyby w interakcji między całą normalną materią a niewidzialną materią zwaną ciemną materią.
Ale naukowcy od dawna rozumieli, że natura jest rozciągnięta i ciągnięta, miażdżona i rozdzierana przez cztery znane siły, więc jak inna siła mogła się przed nami ukrywać przez tak długi czas? Te cztery znane siły stanowią kamień węgielny naszej codziennej egzystencji: tyrańska, ale krótkotrwała silna siła jądrowa, która spaja razem jądra atomowe; niejasna i cicha jak szept słaba siła jądrowa, która kontroluje rozpad radioaktywny i komunikuje się z cząstkami subatomowymi zwanymi neutrinami; śmiała i jasna siła elektromagnetyczna, która dominuje w naszym życiu; i subtelna siła grawitacji, zdecydowanie najsłabsza z kwartetu.
Korzystając z tych czterech podstawowych sił, fizycy są w stanie namalować portret naszych subatomowych i makroskopowych światów. Nie ma interakcji, która nie dotyczyłaby jednej z tych czterech postaci. A jednak wciąż jest mnóstwo tajemnic dotyczących interakcji w naszym wszechświecie, zwłaszcza w największych skalach. Kiedy oddalamy się do skali galaktyk i dalej, pojawia się coś podejrzanego i nadajemy tej rybności nazwę ciemnej materii.
Czy ciemna materia jest prosta i pozbawiona ozdób, czy też ukrywa w swoich szponach mnóstwo nieznanych wcześniej sił? Teraz międzynarodowy zespół fizyków, opisując swoją pracę online w czasopiśmie preprint arXiv, wykorzystał zrzut danych z Wielkiego Zderzacza Hadronów - największego na świecie niszczyciela atomów - aby znaleźć taką siłę. Na razie ich poszukiwania okazały się puste - co jest dobre (w pewnym sensie): oznacza to, że nasze znane prawa fizyki wciąż są aktualne. Ale nadal nie możemy wyjaśnić ciemnej materii.
Związane z: 11 największych pytań bez odpowiedzi na temat ciemnej materii
Zagubiony w ciemności
Ciemna materia to hipotetyczna forma materii, o której mówi się, że stanowi około 80% całkowitej masy wszechświata. To trochę wielka sprawa. Tak naprawdę nie wiemy, co jest odpowiedzialne za te wszystkie dodatkowe niewidzialne rzeczy, ale wiemy, że istnieje, a naszą największą wskazówką jest grawitacja. Badając ruchy gwiazd w galaktykach i galaktyki w gromadach, wraz z ewolucją największych struktur w kosmosie, astronomowie niemal powszechnie doszli do wniosku, że istnieje coś więcej niż tylko poznaje oko galaktyki..
Lepszą nazwą ciemnej materii może być materia niewidzialna. Chociaż możemy to wywnioskować z wpływu grawitacji (ponieważ nic nie umknie wszystkowidzącemu oku Alberta Einsteina), ciemna materia po prostu nie oddziałuje ze światłem. Wiemy to, ponieważ gdyby ciemna materia wchodziła w interakcję ze światłem (a przynajmniej, gdyby wchodziła w interakcję ze światłem w sposób podobny do znanej nam materii), widzielibyśmy już tajemniczą substancję. Ale o ile nam wiadomo, ciemna materia - cokolwiek to jest - nie pochłania, nie odbija, nie załamuje, nie rozprasza ani nie emituje światła. W przypadku ciemnej materii światło jest po prostu persona non grata; równie dobrze mógłby nawet nie istnieć.
Istnieje więc duża szansa, że legiony cząstek ciemnej materii przepływają teraz przez twoje ciało. Połączona masa tego niekończącego się strumienia może kształtować przeznaczenie galaktyk poprzez oddziaływanie grawitacyjne, ale przechodzi on przez normalną materię nawet bez powitania. Wiem, niegrzeczny, ale to dla ciebie ciemna sprawa.
Niosąc światło
Ponieważ nie wiemy, z czego składa się ciemna materia, możemy wymyślać różne scenariusze, zarówno przyziemne, jak i fantazyjne. Najprostszy obraz ciemnej materii mówi, że jest duży i podstawowy. Tak, stanowi ogromną większość masy Wszechświata, ale składa się tylko z pojedynczej, bardzo płodnej cząstki, która nie robi nic poza masą. Oznacza to, że materiał może ujawnić się dzięki grawitacji, ale poza tym nigdy nie oddziałuje z żadną inną siłą. Nigdy, przenigdy nie dostrzeżemy, jak ciemna materia robi cokolwiek innego.
Fantazyjne scenariusze są fajniejsze.
Kiedy teoretycy się nudzą, przygotowują pomysły na to, czym może być ciemna materia, a co ważniejsze, jak możemy ją wykryć. Następny poziom w skali interesujących teorii ciemnej materii mówi, że substancja może czasami rozmawiać z normalną materią poprzez słabą siłę jądrową. Ten pomysł motywuje dziś do eksperymentów i detektorów ciemnej materii na całym świecie.
Jednak scenariusz ten zakłada, że wciąż istnieją tylko cztery siły natury. Jeśli ciemna materia jest wcześniej niewidocznym rodzajem cząstki, to całkiem rozsądne jest zasugerowanie (ponieważ nie mamy pojęcia, czy mamy rację, czy nie), że jest zapakowana w nieznaną wcześniej siłę natury - lub może parę, która wie ? Ta potencjalna siła może pozwolić ciemnej materii rozmawiać tylko z ciemną materią, lub może przeplatać ciemną materię i ciemną energię (której również nie rozumiemy), lub może otworzyć nowy kanał komunikacyjny między normalnym i ciemnym sektorem naszego wszechświata.
Powstanie ciemnego fotonu
Jednym z proponowanych portali komunikacyjnych między światem jasnym i ciemnym jest coś, co nazywa się ciemnym fotonem, analogicznie do znanego (świetlnego) fotonu siły elektromagnetycznej. Nie możemy bezpośrednio zobaczyć, posmakować ani wąchać ciemnych fotonów, ale mogą one przenikać się z naszym światem. W tym scenariuszu ciemna materia emituje ciemne fotony, które są stosunkowo masywnymi cząsteczkami. Oznacza to, że mają one wpływ tylko na krótki zasięg, zupełnie inaczej niż ich odpowiedniki przenoszące światło. Ale czasami ciemny foton może oddziaływać ze zwykłym fotonem, zmieniając jego energię i trajektorię.
To byłoby bardzo rzadkie wydarzenie; w przeciwnym razie już dawno zauważylibyśmy coś dziwnego z elektromagnetyzmem.
Tak więc nawet w przypadku ciemnych fotonów nie bylibyśmy w stanie bezpośrednio zobaczyć ciemnej materii, ale moglibyśmy wywąchać istnienie ciemnych fotonów, badając skupiska oddziaływań elektromagnetycznych. W niewielkiej części tych grudek ciemny foton mógłby „ukraść” energię zwykłego fotonu poprzez interakcję z nim.
Ale jak powiedziałem, potrzebujemy mnóstwa interakcji. Tak się składa, że zbudowaliśmy gigantyczne Maszyny Nauki, aby dokładnie to wyprodukować, więc mamy szczęście.
W artykule arXiv fizycy przedstawili swoje wyniki po przeanalizowaniu danych z trzech lat z Super Proton Synchrotron, drugiego co do wielkości akceleratora cząstek w CERN. W tym eksperymencie naukowcy rozbili protony o subatomowy odpowiednik ściany z cegły i przyjrzeli się wszystkim pozostałym fragmentom.
We wraku naukowcy znaleźli elektrony - wiele z nich. W ciągu trzech lat naukowcy zliczyli ponad 20 miliardów elektronów o energii powyżej 100 GeV. Ponieważ elektrony są naładowanymi cząsteczkami i lubią ze sobą oddziaływać, wysokoenergetyczne elektrony w tym eksperymencie również dały początek wielu fotonom. Jeśli istnieją ciemne fotony, powinny czasami wchodzić w interakcje z jednym ze zwykłych fotonów i kraść z niego energię, zjawisko, które ujawniłoby się w eksperymencie jako brak światła.
Poszukiwanie ciemnych fotonów okazało się puste - wszystkie normalne fotony były obecne i uwzględnione - ale to nie wyklucza całkowicie istnienia ciemnych fotonów. Zamiast tego nakłada ograniczenia na dopuszczalne właściwości tych cząstek. Gdyby istniały, miałyby niską energię (mniejszą niż GeV, na podstawie wyników eksperymentu) i rzadko oddziałują ze zwykłymi fotonami.
Poszukiwania ciemnych fotonów trwają jednak, a przyszłe przebiegi eksperymentu mają się zakończyć jeszcze dalej na tej proponowanej istocie ze świata subatomowego..
Czytaj więcej: „Wyszukiwanie ciemnej materii w zdarzeniach brakujących energii w NA64”
Paul M. Sutter jest astrofizykiem w Uniwersytet Stanowy Ohio, gospodarzem "Zapytaj kosmonautę" i "Space Radio,„i autor”Twoje miejsce we Wszechświecie."
- Największe nierozwiązane tajemnice fizyki
- 18 razy cząstki kwantowe rozwiały nasze umysły
- Twisted Physics: 7 oszałamiających wniosków
Oryginalny artykuł na .