Vlad Krasen
0 
2322
643
Około 80% całej materii w kosmosie ma postać całkowicie nieznaną współczesnej fizyce. Nazywamy to ciemną materią, ponieważ najlepiej, co możemy powiedzieć, jest… ciemna. Eksperymenty na całym świecie próbują uchwycić zabłąkaną cząstkę ciemnej materii w nadziei na jej zrozumienie, ale jak dotąd okazały się puste.
Niedawno zespół teoretyków zaproponował nowy sposób poszukiwania ciemnej materii przy użyciu dziwnych „cząstek” zwanych magnonami, których nie tylko wymyśliłem. Te maleńkie zmarszczki mogą zwabić z ukrycia nawet ulotną, lekką cząstkę ciemnej materii - twierdzą ci teoretycy. [11 największych pytań bez odpowiedzi na temat ciemnej materii]
Zagadka ciemnej materii
Wiemy wiele rzeczy o ciemnej materii, z godnym uwagi wyjątkiem tego, czym ona jest.
Chociaż nie możemy tego bezpośrednio wykryć, widzimy dowody ciemnej materii, gdy tylko otworzymy nasze teleskopy na szerszy wszechświat. Pierwsze odkrycie, w latach trzydziestych XX wieku, nadeszło dzięki obserwacjom gromad galaktyk, jednych z największych struktur we wszechświecie. Galaktyki, które je zamieszkiwały, poruszały się po prostu zbyt szybko, aby utrzymać je razem jako gromadę. Dzieje się tak, ponieważ łączna masa galaktyk daje grawitacyjny klej, który utrzymuje gromadę razem - im większa masa, tym silniejszy klej. Super mocny klej może utrzymać razem nawet najszybciej poruszające się galaktyki. Nawet szybciej, a gromada po prostu by się rozerwała.
Ale tam gromady istniały, a galaktyki w nich brzęczały znacznie szybciej, niż powinny, biorąc pod uwagę masę gromady. Coś miało wystarczający chwyt grawitacyjny, aby utrzymać gromady razem, ale to coś nie emitowało ani nie oddziaływało ze światłem.
Ta tajemnica pozostawała nierozwiązana przez dziesięciolecia, aw latach 70. astronom Vera Rubin podniósł stawkę w wielkim stylu, obserwując gwiazdy w galaktykach. Po raz kolejny sprawy poruszały się zbyt szybko: biorąc pod uwagę ich obserwowaną masę, galaktyki w naszym wszechświecie powinny rozpaść się miliardy lat temu. Coś ich trzymało razem. Coś niewidzialnego. [11 fascynujących faktów na temat naszej galaktyki Drogi Mlecznej]
Historia powtarza się w całym kosmosie, zarówno w czasie, jak i przestrzeni. Od najwcześniejszego światła od Wielkiego Wybuchu po największe struktury we wszechświecie, jest coś odjazdowego.
Wyszukiwanie w ciemności
Tak więc ciemnej materii jest tam bardzo dużo - po prostu nie możemy znaleźć żadnej innej wiarygodnej hipotezy wyjaśniającej tsunami danych na poparcie jej istnienia. Ale co to jest? Przypuszczamy, że ciemna materia jest jakąś nową, egzotyczną cząstką, dotąd nieznaną fizyce. Na tym zdjęciu ciemna materia zalewa każdą galaktykę. W rzeczywistości widoczna część galaktyki, widziana przez gwiazdy i obłoki gazu i pyłu, to po prostu maleńka latarnia morska ustawiona na znacznie większym, ciemniejszym brzegu. Każda galaktyka znajduje się w dużym „halo” złożonym z zilionów cząstek ciemnej materii.
Te cząstki ciemnej materii przepływają teraz przez twój pokój. Przepływają przez ciebie. Niekończący się deszcz drobnych, niewidzialnych cząstek ciemnej materii. Ale po prostu ich nie zauważasz. Nie oddziałują ze światłem ani z naładowanymi cząsteczkami. Jesteś zbudowany z naładowanych cząstek i jesteś bardzo przyjazny dla światła; jesteś niewidzialny dla ciemnej materii, a ciemna materia jest dla ciebie niewidzialna. Jedynym sposobem, w jaki „widzimy” ciemną materię, jest siła grawitacji; grawitacja zauważa każdą formę materii i energii we wszechświecie, ciemną lub nie, więc w największych skalach obserwujemy wpływ połączonej masy wszystkich tych niezliczonych cząstek. Ale tutaj w twoim pokoju? Nic.
Chyba że, mamy nadzieję, istnieje inny sposób, w jaki ciemna materia oddziałuje z nami, zwykłą materią. Możliwe, że cząstka ciemnej materii, cokolwiek to jest, również czuje słabą siłę jądrową - która jest odpowiedzialna za rozpad radioaktywny - otwierającą nowe okno na to ukryte królestwo. Wyobraź sobie, że budujesz gigantyczny detektor, po prostu dużą masę dowolnego elementu, który masz pod ręką. Przepływają przez nią cząsteczki ciemnej materii, prawie wszystkie z nich całkowicie nieszkodliwe. Ale czasami, z rzadkością w zależności od konkretnego modelu ciemnej materii, przechodząca cząstka oddziałuje z jednym z jąder atomowych pierwiastków w detektorze za pośrednictwem słabej siły jądrowej, wytrącając go z miejsca i powodując, że cała masa detektora kołczan.
Wejdź do magnona
Ta eksperymentalna konfiguracja działa tylko wtedy, gdy cząstka ciemnej materii jest stosunkowo ciężka, co daje jej wystarczającą moc, aby wybić jądro w jednej z tych rzadkich interakcji. Ale jak dotąd żaden z detektorów ciemnej materii na całym świecie nie zauważył żadnego śladu interakcji, nawet po latach poszukiwań. W miarę postępu eksperymentów dopuszczalne właściwości ciemnej materii były powoli wykluczane. To niekoniecznie jest złe; po prostu nie wiemy, z czego składa się ciemna materia, więc im więcej wiemy o tym, czym nie jest, tym wyraźniejszy obraz tego, czym może być.
Ale brak wyników może być trochę niepokojący. Najciężsi kandydaci na ciemną materię są wykluczani, a jeśli tajemnicza cząstka jest zbyt lekka, nigdy nie będzie widoczna w detektorach, które są teraz ustawione. To znaczy, chyba że istnieje inny sposób, w jaki ciemna materia może rozmawiać ze zwykłą materią.
W niedawnym artykule opublikowanym w internetowym czasopiśmie preprint arXiv, fizycy szczegółowo opisali proponowaną konfigurację eksperymentalną, która mogłaby wykryć cząstkę ciemnej materii podczas zmiany spinu elektronów (jeśli w rzeczywistości ciemna materia może to zrobić). W tej konfiguracji można potencjalnie wykryć ciemną materię, nawet jeśli podejrzana cząstka jest bardzo jasna. Może to zrobić, tworząc w materiale tak zwane magnony.
Udawaj, że masz kawałek materiału w temperaturze zera absolutnego. Wszystkie spiny - jak małe magnesy-sztabki - wszystkich elektronów w tej materii będą skierowane w tym samym kierunku. Gdy powoli podnosisz temperaturę, niektóre elektrony zaczną się budzić, poruszać i losowo kierować swoje spiny w przeciwnym kierunku. Im wyższa temperatura, tym więcej elektronów jest przewracanych - a każdy z tych przewrotów zmniejsza siłę magnetyczną tylko odrobinę. Każdy z tych odwróconych obrotów powoduje również niewielkie tętnienie energii materiału, a te drgania można postrzegać jako kwazicząstkę, a nie prawdziwą cząstkę, ale coś, co można opisać matematycznie w ten sposób. Te kwazicząstki są znane jako „magnony”, prawdopodobnie dlatego, że przypominają małe, urocze magnesy.
Więc jeśli zaczniesz od naprawdę zimnego materiału i wystarczająco dużo cząstek ciemnej materii uderzy w ten materiał i odwróci kilka obrotów, zobaczysz magnony. Ze względu na czułość eksperymentu i naturę interakcji ta konfiguracja może wykryć lekką cząsteczkę ciemnej materii.
To znaczy, jeśli istnieje.
- 9 pomysłów na czarne dziury, które rozwalą twój umysł
- 11 największych pytań bez odpowiedzi na temat ciemnej materii
- 18 największych nierozwiązanych tajemnic fizyki
Paul M. Sutter jest astrofizykiem w Uniwersytet Stanowy Ohio, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Space Radio, i autor Twoje miejsce we Wszechświecie.
Pierwotnie opublikowano w dniu .