Dark Matter Just Got Murkier

{h1}

Neatklāšana liek fiziķiem pārdomāt, kā viņi domā par tumšo vielu - noslēpumaino “lietu”, kas caurstrāvo visumu.

Dons Linkolns ir vecākais zinātnieks ASV Enerģētikas departamenta Fermilab, Amerikas lielākajā Large Hadron Collider pētniecības iestādē. Viņš arī raksta par zinātni sabiedrībai, ieskaitot savu neseno "Lielais hadronu sadursme: Higsa Bosona ārkārtas stāsts un citas lietas, kas ienesīs tavu prātu"(Johns Hopkins University Press, 2014). Jūs varat viņam sekotFacebook. Linkolns pievienoja šo rakstu WordsSideKick.com's Ekspertu balsis: op-ed un atziņas.

Viņi saka, ka mīlestība liek pasaulei apiet, un tā, iespējams, ir taisnība. Bet, aplūkojot lietas daudz plašākā mērogā - teiksim galaktiku lielumu -, ar mīlestību vienkārši nepietiek. Un šajā ziņā arī pašas galaktiku zvaigznes nav. Faktiski tas, kas liek galaktikām iet apkārt, ir sava veida jautājums, kas nekad nav bijis tieši novērots. Šo neatklāto "lietu" sauc par tumšo vielu, un nesen tika paziņots par pārsteidzošu jaunu mērījumu, kas liek zinātniskajai pasaulei pārdomāt sen turētās domas.

Jaunākais ieguldījums mūsu zināšanās par tumšo vielu tika veikts sadarbībā ar lielu metro ksenonu (LUX). LUX ir trauks, kas sastāv no trešdaļas tonnas šķidrā ksenona, un tas ir visspēcīgākais jebkad uzbūvētais tumšās vielas detektors. Šī tumšo vielu laboratorija, kas atrodas Sanfordas pazemes izpētes objektā (SURF), atrodas gandrīz jūdzes zem Melnajiem kalniem netālu no Svinsas, Dienviddakotas štatā. Tas ir paredzēts, lai laiku pa laikam noteiktu tumšās vielas tvaikojošo vēju, kas, domājams, plūst caur Saules sistēmu. [6 foršas pazemes zinātnes laboratorijas]

Un lieta ir tāda, ka neko neatklāja. Šī neatklāšana liek fiziķiem pārdomāt, kā viņi domā par tumšo vielu.

Galaktiku turēšana

Tumšā matērija ir atbilde uz gandrīz gadsimtu veco problēmu. Pagājušā gadsimta 30. gadu sākumā, neilgi pēc tam, kad astronomi saprata, ka Visumu veido neskaitāmas galaktikas, zinātnieki pievērsa savu uzmanību izpratnei par to, kā zvaigznēs riņķoja galaktikas - galvenokārt, kā galaktikas rotē. Holandiešu astronoms Jans Oorts piemēroja Ņūtona kustības un smaguma likumus novērotajai lietai mūsu Piena Ceļā un atklāja, ka mūsu galaktika griežas ātrāk, nekā viņš bija aprēķinājis. Izrādījās, ka Piena ceļam bija divreiz lielāka masa, kādu bija novērtējuši astronomi. Protams, tas bija laikmetā, kurā sāka parādīties precīza galaktikas astronomija, un domstarpības starp tikai koeficienta divkāršošanu un aprēķināšanu tika uzskatītas par lielisku vienošanos.

Vardarbīga galaktiku kopu sadursme izveidoja Abell 520 galaktiku kopu. Viltus krāsu kartes, kas atrodas virs attēla, atklāj lielāko masas koncentrāciju klasterī (zilā krāsā), pēc kuras zinātnieki apgalvo, ka dominē tumšā matērija.

Vardarbīga galaktiku kopu sadursme izveidoja Abell 520 galaktiku kopu. Viltus krāsu kartes, kas atrodas virs attēla, atklāj lielāko masas koncentrāciju klasterī (zilā krāsā), pēc kuras zinātnieki apgalvo, ka dominē tumšā matērija.

Kredīts: ASA, ESA, CFHT, CXO, M. J. Jee (Kalifornijas Universitāte, Deivisa) un A. Mahdavi (Sanfrancisko štata universitāte)

Tomēr neilgi pēc Oorta mērījumiem bulgāru un šveiciešu astronoms Fritz Zwicky pētīja Coma Cluster - lielu vairāk nekā tūkstoš galaktiku grupu, kuru milzīgajā struktūrā sasaistīja savstarpēja gravitācija. Izmērot galaktiku ātrumu, viņš atklāja, ka arī viņi pārvietojas pārāk ātri, lai gravitācijas maigais velkonis tos noturētu. Pēc visām tiesībām kopai vajadzēja sevi saplēst. Bet tas nenotika. Viņš aprēķināja, ka klasterī bija 400 reizes vairāk lietu, nekā to varēja redzēt ar parastajiem teleskopiem. Mūsdienu mērījumi ir samazinājuši šo skaitu, bet joprojām tiek uzskatīts, ka neatbilstība ir koeficients 100. Zvickis ierosināja, ka pastāv kāds neredzētas matērijas veids, kas satur kopā kopu, kuru viņš sauca par “dunkle Materie” jeb tumšo matēriju. [TED-Ex Talk: Kā Dark Matter izskaidro zvaigznes ātrumu?]

Septiņdesmitajos gados astronoms Vera Rubins, pievēršot uzmanību galaktiku rotācijas līknēm, mēģināja atrast nestrīdīgu tēmu, kuru izpētīt. Tas ir zvaigžņu orbītas ātruma mērījums galaktikās atkarībā no attāluma no centra. Viņa atklāja, ka mērījumi ļoti labi sakrīt ar prognozēm galaktikas centrā un pat tuvojas perifērijai. Bet pašā galaktikas nomalē zvaigznes riņķoja daudz ātrāk, nekā varēja uzņemt ar zināmajiem fizikas likumiem un novēroto lietu. Izskatījās, ka Zvickija tumšā matērija varētu parādīties arī galaktiku interjerā. (Skaidrs, ka Rubinai episki neizdevās mēģināt atrast neviennozīmīgu tēmu.)

Gadu desmitu laikā ir ierosinātas vairākas idejas, lai izskaidrotu plašu astronomisko noslēpumu klāstu, sākot ar iespēju, ka Ņūtona kustības likumi varētu netikt piemēroti, kad paātrinājumi kļūst mazi, līdz idejai, ka gan Ņūtons, gan Einšteins maldījās par gravitācijas spēku. Šīs hipotēzes nav izturējušas stingru pārbaudi. Vēl viena ideja bija tāda, ka varbūt Visumā pastāv tādi matērijas tipi, kas neizstaro elektromagnētisko enerģiju… tā bija Zvickijas tumšā matērija.

Bet pat šeit bija daudz iespēju. Visticamākais variants bija tas, ka Visumā atradās melnu caurumu, brūnu punduru, negodīgu planētu un citu tumšu priekšmetu meitene, kas sastāvēja no tāda paša veida parastajām matērijām, kas veido redzamo Visuma sastāvdaļu. Šie objekti ir masīvi, kompakti un pietiekami auksti, ka tie neizstaro gaismu kā zvaigznes. Tika atrasti daži objekti, piemēram, šie, taču ar to nepietika, lai atrisinātu noslēpumu. Un arī astronomiskie apsekojumi 1990. gados pilnībā izslēdza šo ideju. Paņemot lapu no Šerloka Holmsa grāmatā “Četru zīme”, kurā viņš teica: “Kad esat izslēdzis neiespējamo, visam, kas paliek, lai arī cik neticams, tam jābūt patiesībai,” zinātnieki ir bijuši spiesti secināt, ka jauna forma neredzamās tumšās matērijas caurstrāvo Visumu. Varbūt vēl pārsteidzošāk, šķiet, ka tumšās matērijas ir piecas reizes vairāk nekā parastās matērijas.

Tumšās vielas īpašības

Mēs nekad neesam tieši novērojuši tumšo matēriju, bet mēs ļoti daudz zinām, kādai tai jābūt: tai jābūt masīvai (jo tā ietekmē galaktiku rotāciju); tai jābūt elektriski neitrālai (jo mēs to nevaram redzēt); tai jābūt atšķirīgai no parastās matērijas (jo mēs neredzam pierādījumus tam, ka tā mijiedarbotos ar matēriju parastajos veidos); un tam jābūt stabilam (jo tas ir pastāvējis kopš Visuma rītausmas). Šīs īpašības ir nepārprotamas.

Tomēr mēs precīzi nezinām, kas tas ir. Populārākajā vispārīgajā teorijā tumšās vielas daļiņu sauc par WIMP vāji mijiedarbojošai masīvajai daļiņai. WIMP ir tāda veida kā smagie neitroni (bet noteikti ne neitroni), kuru masa ir no 10 līdz 100 reizēm smagāka par protonu. Tie tika izveidoti lielos daudzumos Lielā sprādziena laikā, un neliels relikvijas atlikums saglabājas līdz mūsdienām.

Kad kosmologi savām idejām par Lielo sprādzienu pievieno WIMP ideju, viņi var aprēķināt, kā tā mijiedarbosies. Viņi atklāj, ka vissenākajos Visuma posmos WIMP bija dominējošā matērijas forma, bet, tā kā Visums paplašinās un atdziest un mijiedarbības ātrums samazinās līdz nullei, WIMP reliktu daudzums ir apmēram piecas reizes lielāks par parasto lietu. Apvienojumā ar to, ka WIMP ideja var izskaidrot arī aktuālu teorētisko noslēpumu, kāpēc Higsa boza daļiņai ir tik maza masa, zinātnieki to sauc par “WIMP brīnumu”, ņemot vērā faktu, ka WIMP ideja, šķiet, atbild uz tik daudziem jautājumiem.

Tumša neatklāšana

Tātad tas mūs atgriež pie LUX eksperimenta. Tas ir vienkārši jaunākais un visspēcīgākais eksperiments, kas paredzēts WIMP noteikšanai. Ideja ir tāda, ka detektors ilgu laiku sēdēs pazemē, teiksim, gadu vai ilgāk, un retais WIMP sasitīs ksenona atomu un tiks atklāts. (Detektoru apglabā zem zemes, lai pasargātu to no kosmiskajiem stariem, kas iekļūtu ksenona atomos un viltus tumšās vielas noteikšanu. Atrodoties pusjūdzes vai jūdzes pazemē, gandrīz visi kosmiskie stari tiek apturēti.)

Iepriekš minētais tilpums, kas ir daļa no lielās pazemes ksenona sadarbības, tiks piepildīts ar šķidru ksenonu, un tiks atklāta jebkāda mijiedarbība ar ksenonu, iespējams, atklājot tumšās vielas identifikāciju.

Iepriekšminētais tilpums, kas ir daļa no lielās pazemes ksenona sadarbības, tiks piepildīts ar šķidru ksenonu, un var tikt atklāta jebkāda mijiedarbība ar ksenonu, iespējams, atklājot tumšās vielas identifikāciju.

Kredīts: C.H. foto Fahams

27. augustā LUX pētnieki paziņoja savus rezultātus. Viņi neredzēja pierādījumus par tumšās vielas WIMP.

Tātad tas faktiski nav tik pārsteidzoši. Ir bijuši desmiti eksperimentu, kuru laikā tika meklēta tumšā matērija un neko nav atrasts. Šajā ziņā LUX ir pievienojies godājamajai grupai. Bet arī LUX ir daudz spējīgāks. Bija paredzēts, ka WIMP atrašanā būs labāks attēls nekā jebkurš cits aparāts.

Bet tas nenotika.

Tātad, vai tas nozīmē, ka WIMP ideja ir beigusies? Nē nav īsti. Tumšās matērijas detektori ir optimizēti, lai būtu jutīgāki pret noteiktām grupām, piemēram, kā konkrētais mikrofons varētu labāk uztvert tenora balsis, nekā viņi dzird soprānu vai basu. LUX tika optimizēts, lai atrastu WIMP, kura masa ir dažus desmitus reižu smagāka par protonu. Faktiski tas izslēdza WIMP, kura masa ir 50 reizes lielāka par protonu ar iespaidīgu noraidījumu. Tomēr LUX neveicas tik labi, lai noteiktu WIMP, kuru masa ir mazāka par 10 reizes lielāka par protonu. Un, ja WIMP ir un kuru masa ir 1000 reizes smagāka par protonu, tas arī nav LUX optimālais izmeklēšanas diapazons. Tātad paliek masu diapazons, kur varētu pastāvēt WIMP.

Aksijas, tumšā dzīve un tumšais lādiņš

Pat ja tā, WIMP bija vienkārši populārākā tumšās vielas ideja. Ir arī citas hipotēzes. Viena hipotēze norāda uz daļiņu, ko sauc par sterilu neitrīno, kas ir vairāk pazīstama neitrīno brālēns, kas radies kodolreakcijās. Faktiski neitrīni no lielākā tuvumā esošā kodolreaktora (saules) pastāvīgi aizsprosto Zemi. Atšķirībā no parastajiem neitrīniem, kuri ir īpaši gaiši un mijiedarbojas ar vāju kodolieroču palīdzību, sterilie neitrīni ir smagi un nepiedzīvo vāju spēku. Spēcīgā masa un mijiedarbības īpašības padara sterilu neitrīno par ideālu tumšās vielas kandidātu.

Vēl viena iespējamā tumšās matērijas daļiņa - aksijs - tika ierosināta 1977. gadā kā veids, kā nodrošināt, ka spēcīgais kodolieroču spēks apstrādā matēriju un antimatēriju uz vienlīdzīgiem pamatiem (tā kā piekrītu novērojumiem). Aksions ir ļoti viegla, bet tomēr masīva hipotētiska daļiņa. LUX detektors nav paredzēts aksiāciju izpētei.

Tad, protams, ir vēl radošāka hipotēze, kas liek domāt, ka tumšā matērija nav viena neitrāla, ne mijiedarbīga daļiņa. Galu galā parastā lieta ir diezgan sarežģīta. Kvantu skalā mums ir kvarki un leptoni un četri spēki. Makro mērogā mums ir gan tu, gan es, gan cukurs, gan zvaigznes un vulkāni, gan visi dažādie mijiedarbības veidi. Parastajai matērijai ir visa veida mijiedarbība un sastāvdaļas. Kāpēc ne tumšā matērija? [7 dīvaini fakti par kvarkiem]

Saskaņā ar šo hipotēzi tumšajai matērijai var būt "tumšā lādiņa" vai tumšās vielas elektriskā lādiņa forma. Tieši tāpat kā tumšā matērija neizjūt tumšo lādiņu, varbūt parastajā matērijā nav arī tumšās lādiņa. Šis tumšais lādiņš mijiedarbosies ar tumšajiem fotoniem vai parasto gaismas daļiņu tumšajiem dvīņiem.

Un vēl drosmīgāk, iespējams, tumšā matērija piedzīvo daudzus spēkus, un tur ir viss sarežģītais tumšais sektors ar tumšiem atomiem un tumšām molekulām un varbūt pat tumšu dzīvi. Mēs spējam noteikt ierobežojumus šai iespējamajai tumšajai mijiedarbībai; Piemēram, mēs zinām pietiekami, lai izslēgtu tumšās zvaigznes un planētas, taču ir iespējami tumši asteroīdi. Atkal LUX klusē par šīm jaunajām idejām.

Nav taisnīgi apgalvot, ka LUX mērījums izraisa daļiņu fizikas un kosmoloģijas krīzi. Bet tas noteikti dod zinātniekiem pauzi un liek domāt, ka varbūt mums vajadzētu vēlreiz aplūkot šo WIMP lietu. Varbūt ir jāpārskata citas idejas. No otras puses, zinātniekiem, kuri vēlas turpināt īstenot WIMP ideju, joprojām ir ko gaidīt, attīstoties tehnoloģijām. LUX izmanto trešdaļu tonnas šķidrā ksenona. 10 vai 15 gadu laikā zinātnieki plāno būvēt detektorus, kas varētu saturēt 100 tonnas, nodrošinot vēl lielākas iespējas notvert šo reto WIMP mijiedarbību. Šie ir nemierīgi laiki, lai būtu tumšās vielas zinātnieks.

Bet galu galā mēs joprojām nezinām. Mēs tikai zinām, ka LUX iespējas ir pietiekami labas, ka varbūt ir laiks paplašināt mūsu domāšanu. Rokas grupas Buffalo Springfield vārdiem sakot: "Šeit kaut kas notiek. Kas tas nav, nav īsti skaidrs..."

Sekojiet visiem ekspertu balsu jautājumiem un debatēm - un kļūstiet par diskusijas daļu - Facebook, Twitter un Google+. Paustie uzskati ir autora viedokļi, un tie ne vienmēr atspoguļo izdevēja uzskatus. Šī raksta versija sākotnēji tika publicēta vietnē WordsSideKick.com.


Video Papildinājums: Big Mysteries: Dark Energy.




Pētniecība


Dīvains Jūras Tārps Atgādina Ziemassvētku Rotājumu No Elles
Dīvains Jūras Tārps Atgādina Ziemassvētku Rotājumu No Elles

Stefana Hawkinga Piemiņai Varētu Būt Laika Ceļotāju Klātbūtne
Stefana Hawkinga Piemiņai Varētu Būt Laika Ceļotāju Klātbūtne

Zinātne Ziņas


Irmas Iekšienē: Vētras Izbraukšana Kopā Ar Viesuļvētras Medniekiem (Fotoattēli)
Irmas Iekšienē: Vētras Izbraukšana Kopā Ar Viesuļvētras Medniekiem (Fotoattēli)

Vīrusi Ātri Izplatās, Izmantojot “Mobilo Sērfošanu”
Vīrusi Ātri Izplatās, Izmantojot “Mobilo Sērfošanu”

5 Visgudrākie Ne-Primāti Uz Planētas
5 Visgudrākie Ne-Primāti Uz Planētas

Adhd Narkotiku Lietošana Strauji Pieaug Asv Pieaugušo Vidū
Adhd Narkotiku Lietošana Strauji Pieaug Asv Pieaugušo Vidū

Sliktas Atmiņas Paliek Labāk Nekā Labas
Sliktas Atmiņas Paliek Labāk Nekā Labas


LV.WordsSideKick.com
Visas Tiesības Aizsargātas!
Pavairošana Materiālu Atļauts Tikai Prostanovkoy Aktīvu Saiti Uz Vietni LV.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LV.WordsSideKick.com