Гумени гривни

31 октомври е ден на тъмната материя. Само за комплекса: какво е тъмна материя и къде да я търсим. Как учените търсят тъмна материя

Теоретичната конструкция във физиката, наречена Стандартен модел, описва взаимодействията на всички елементарни частици, известни на науката. Но това е само 5% от веществото, съществуващо във Вселената, докато останалите 95% са от напълно неизвестна природа. Какво представлява тази хипотетична тъмна материя и как учените се опитват да я открият? За това в рамките на специален проект говори Хайк Акопян, студент от Московския физико-технически институт и служител на катедрата по физика и астрофизика.

Стандартният модел на елементарните частици, окончателно потвърден след откриването на Хигс бозона, описва фундаменталните взаимодействия (електрослаби и силни) на познатите ни обикновени частици: лептони, кварки и носители на взаимодействие (бозони и глуони). Оказва се обаче, че цялата тази огромна сложна теория описва само около 5–6% от цялата материя, докато останалата част не се вписва в този модел. Наблюденията от най-ранните моменти от живота на нашата Вселена ни показват, че приблизително 95% от материята, която ни заобикаля, е от напълно непозната природа. С други думи, косвено виждаме наличието на тази скрита материя поради нейното гравитационно влияние, но досега не е било възможно да я хванем директно. Това явление на скрита маса е наречено "тъмна материя".

Съвременната наука, особено космологията, работи според дедуктивния метод на Шерлок Холмс

Сега основният кандидат от групата WISP е аксионът, който възниква в теорията на силното взаимодействие и има много малка маса. Такава частица е способна да се трансформира в двойка фотон-фотон във високи магнитни полета, което дава намеци как човек може да се опита да я открие. Експериментът ADMX използва големи камери, които създават магнитно поле от 80 000 гауса (това е 100 000 пъти магнитното поле на Земята). На теория такова поле трябва да стимулира разпадането на аксиона в двойка фотон-фотон, която детекторите трябва да уловят. Въпреки многобройните опити, WIMPs, аксиони или стерилни неутрино все още не са открити.

По този начин преминахме през огромен брой различни хипотези, които се стремят да обяснят странното присъствие на тъмна маса и, след като отхвърлихме всичко невъзможно с помощта на наблюдения, стигнахме до няколко възможни хипотези, с които вече можем да работим.

Отрицателен резултат в науката също е резултат, тъй като ограничава различните параметри на частиците, например елиминира диапазона от възможни маси. От година на година все повече и повече нови наблюдения и експерименти в ускорители дават нови, по-строги граници на масата и други параметри на частиците на тъмната материя. Така, изхвърляйки всички невъзможни варианти и стеснявайки кръга от търсения, ден след ден се доближаваме до разбирането от какво се състои 95% от материята в нашата Вселена.

МОСКВА, 31 октомври - РИА Новости, Олга Коленцова.Изчисленията на учените показват, че Вселената е 95% съставена от материя, която все още не е изследвана от хората: 70% е тъмна енергия, а 25% е тъмна материя. Предполага се, че първото е вид поле с ненулева енергия, но второто се състои от частици, които могат да бъдат открити и изследвани. Но не напразно това вещество се нарича скрита маса - търсенето му продължава доста време и е придружено от разгорещени дискусии сред физиците. За да представят своите изследвания на обществеността, CERN дори инициира Деня на тъмната материя, който се отбелязва за първи път днес, 31 октомври.

Привържениците на съществуването на тъмна материя дават доста сериозни аргументи, потвърдени от експериментални факти. Неговото признаване започва през 30-те години на миналия век, когато швейцарският астроном Фриц Цвики измерва скоростта, с която галактиките в купа Кома се движат около общ център. Както знаете, скоростта на движение зависи от масата. Изчисленията на учения показаха, че истинската маса на галактиките трябва да е много по-голяма от тази, определена в процеса на наблюдения с телескопи. Оказа се, че доста голяма част от галактиките просто не се виждат за нас. Следователно, той се състои от материя, която не отразява и не абсорбира светлината.

Второто потвърждение за съществуването на скрита маса е промяната в светлината, когато тя преминава през галактики. Факт е, че всеки обект с маса изкривява праволинейния ход на светлинните лъчи. Така тъмната материя ще направи свои собствени промени в светлата картина (образът на отдалечен обект) и ще стане различна от картината, която би била създадена само от видимата материя. Има десет доказателства за съществуването на тъмна материя, но двете описани са основните.

Въпреки че доказателствата за съществуването на тъмна материя са доста убедителни, досега никой не е открил и изследвал частиците, които я съставят. Физиците предполагат, че подобна секретност се дължи на две причини. Първото е, че тези частици имат твърде голяма маса (свързана с енергията чрез формулата E=mc²), така че възможностите на съвременните ускорители просто не са достатъчни, за да „създадат“ такава частица. Втората причина е много ниската вероятност от поява на тъмна материя. Може би не можем да го открием именно защото взаимодейства изключително слабо с човешкото тяло и познатите ни частици. Въпреки че тъмната материя е навсякъде (според изчисленията) и нейните частици буквално препускат през нас всяка секунда, ние просто не я усещаме.

Тъмната материя на Вселената "отслабва", казват руски физициКоличеството тъмна материя във Вселената е намаляло с около 2-5%, което може да обясни несъответствията в стойността на някои важни космологични параметри по време на Големия взрив и днес.

За да открият частици от тъмна материя, учените използват детектори, които са разположени под земята, за да сведат до минимум ненужните въздействия. Предполага се, че от време на време частиците на тъмната материя все още се сблъскват с атомните ядра, предават им част от своя импулс, нокаутират електрони и предизвикват проблясъци на светлина. Честотата на такива сблъсъци зависи от вероятността за взаимодействие на частици тъмна материя с ядрото, тяхната концентрация и относителна скорост (като се вземе предвид движението на Земята около Слънцето). Но експериментални групи, дори когато откриват някакъв удар, отричат, че тази реакция на детектора е причинена от тъмна материя. И само италианската експериментална група DAMA, работеща в подземната лаборатория на Гран Сасо, съобщава за наблюдаваните годишни вариации в скоростта на броене на сигналите, вероятно свързани с движението на Земята през галактическата скрита маса.

В този експеримент броят и енергията на светлинните светкавици вътре в детектора се измерват за няколко години. Изследователите доказаха наличието на слаби (около 2%) годишни колебания в броя на подобни събития.

Въпреки че италианската група уверено защитава надеждността на експериментите, мненията на учените по този въпрос са доста двусмислени. Основното слабо място на резултатите, получени от италианската група, е тяхната невъзпроизводимост. Например, когато гравитационните вълни бяха открити, те бяха открити от лаборатории по целия свят, като по този начин потвърдиха данните, получени от други групи. В случая с DAMA ситуацията е различна – никой друг в света не може да се похвали със същите резултати! Разбира се, има вероятност тази група да има по-мощни детектори или свои собствени методи, но тази уникалност на експеримента кара някои изследователи да се съмняват в неговата надеждност.

"Все още не е възможно да се каже за какво точно се отнасят данните, събрани в лабораторията на Гран Сасо. Във всеки случай група от Италия даде положителен резултат, а не отричане на нещо, което вече е сензация. Сега сигналите са открити трябва да бъдат обяснени. И това е голям стимул за развитието на различни теории, включително тези, посветени на създаването на модел на тъмна материя. Но дори и учен да се опита да обясни защо получените данни по никакъв начин не се отнасят до тъмната материя, това все още може да бъде нова стъпка в разбирането на природата. Във всеки случай резултатът е и трябва да продължим работата, но аз лично не мога напълно да се съглася, че тъмната материя е открита в момента“, коментира Константин Белоцки, водещ изследовател в катедрата по физика на елементарните частици, Национален изследователски ядрен университет МИФИ.

Тъмната материя не излъчва и не поглъща светлина, практически не взаимодейства с "обикновена" материя, учените все още не са успели да уловят нито една "тъмна" частица. Но без него познатата ни Вселена и ние самите не бихме могли да съществуваме. В Деня на тъмната материя, който се празнува на 31 октомври (физиците са решили, че е точното време да организират празник в чест на тъмното и неуловимото вещество), N+1попита Андрей Дорошкевич, ръководител на катедрата по теоретична астрофизика на Астрокосмическия център на Физическия институт Лебедев, какво е тъмна материя и защо е толкова важна.

N+1: Колко уверени са учените днес, че тъмната материя наистина съществува?

Андрей Дорошкевич:Основното доказателство са наблюденията на флуктуациите на космическата микровълнова фонова радиация, тоест резултатите, които космическите кораби WMAP и "" са получили през последните 15 години.

Те измерват смущението на температурата на космическия микровълнов фон, тоест на космическия микровълнов фон, с висока точност. Тези смущения са запазени от ерата на рекомбинацията, когато йонизираният водород се превръща в неутрални атоми.

Тези измервания показаха наличието на флуктуации, много малки, около една десет хилядна от келвин. Но когато започнаха да сравняват тези данни с теоретичните модели, те откриха важни разлики, които не могат да бъдат обяснени по друг начин освен наличието на тъмна материя. Благодарение на това те успяха да изчислят пропорциите на тъмната и обикновената материя във Вселената с точност до процент.

Разпределението на материята във Вселената (отляво надясно) преди и след данните от телескопа Планк

Учените са правили много опити да се отърват от невидимата и незабележима тъмна материя, създадени са теории за модифицираната гравитация, като MOND, които се опитват да обяснят наблюдаваните ефекти. Защо моделите с тъмна материя са за предпочитане?

Ситуацията е много проста: съвременната теория на гравитацията на Айнщайн работи добре в земните мащаби, спътниците летят в строго съответствие с тази теория. И се представя много добре в космологични мащаби. И всички съвременни модели, които променят гравитацията, не могат да обяснят всичко. Те въвеждат нови константи в закона на Нютон, което дава възможност да се обяснят ефектите от присъствието на тъмна материя на ниво галактики, но пропуска в космологичния мащаб.

Може ли откриването на гравитационните вълни да помогне тук? Може би ще помогне да отхвърлим някои от теориите?

Това, което сега измерват гравитационните вълни, е огромен технически, а не научен успех. Че съществуват е известно преди 40 години, когато е открито (косвено) гравитационно лъчение от двоичен пулсар. Наблюденията на гравитационните вълни за пореден път потвърдиха съществуването на черни дупки, въпреки че преди не се съмнявахме в това, но сега имаме повече или по-малко преки доказателства тук.

Формата на ефекта, промените в гравитационните вълни със сила, могат да ни дадат много полезна информация, но трябва да изчакаме още пет до десет години, докато имаме достатъчно данни, за да прецизираме теориите на гравитацията.

Как учените са научили за тъмната материя

Историята на тъмната материя започва през 1933 г., когато астрономът Фриц Цвики изучава разпределението на скоростите на галактиките в куп, разположен в съзвездието Кома Беренис. Той открил, че галактиките в купа се движат твърде бързо и ако се вземе предвид само видимата материя, купът не би могъл да бъде стабилен – галактиките просто ще бъдат разпръснати в различни посоки.

В статия, публикувана на 16 февруари 1933 г., Цвики предполага, че те са били държани заедно от невидимо гравитационно вещество, Dunkle Materie.

Малко по-късно несъответствието между "видимата" маса на галактиките и параметрите на тяхното движение беше потвърдено от други астрономи.

През 1958 г. съветският астрофизик Виктор Амбарцумян предлага свое собствено решение на парадокса на Цвики. Според него куповете от галактики не съдържат никаква невидима материя, която да ги държи гравитационно. Ние просто наблюдаваме клъстери в процеса на разпад. Повечето астрономи обаче не приеха това обяснение, тъй като в този случай животът на клъстерите би бил не повече от един милиард години, а като се има предвид, че животът на Вселената е десет пъти по-дълъг, до днес просто нямаше да има никакви клъстери.

Общоприетите идеи за тъмната материя казват, че тя се състои от WIMPs (WIMPs), масивни частици, които почти не взаимодействат с частици от обикновена материя. Какво може да се каже за техните имоти?

Те имат доста голяма маса - и това е почти всичко, дори не можем да назовем точната маса. Те пътуват на дълги разстояния без сблъсъци, но смущенията в плътността в тях не се разпадат дори в относително малки мащаби - и това е единственото, от което се нуждаем за моделите днес.

CMB ни дава характеристиките на тъмната материя в големи мащаби, в мащабите на галактическите купове. Но за да се „спуснем“ до мащаба на малките галактики, ние сме принудени да използваме теоретични модели.

Самото съществуване на малки галактики предполага, че дори в относително малък мащаб е имало нехомогенности, които са възникнали малко след Големия взрив. Такива нехомогенности могат да избледняват, да се изглаждат, но знаем със сигурност, че те не са избледнели в мащаба на малките галактики. Това предполага, че тези частици от тъмна материя трябва да имат такива свойства, че тези смущения да продължат.

Правилно ли е да се каже, че звездите могат да се образуват само благодарение на тъмната материя?

Не точно. Без тъмна материя галактиките не биха могли да се образуват, а звездите не могат да се образуват извън галактиките. За разлика от тъмната материя, барионите винаги са горещи, те взаимодействат с фоновата радиация. Следователно те не могат да се съберат в звезди сами, гравитацията на барионите със звездна маса не може да преодолее тяхното налягане.

Частиците на тъмната материя действат като невидим цимент, който дърпа бариони в галактиките и след това в тях започва процесът на образуване на звезди. Има шест пъти повече тъмна материя от барионите, тя "води", а барионите само я следват.

Ксенонов детектор за частици от тъмна материя XENON1T

Xenon100 сътрудничество

Има ли много тъмна материя около нас?

Има го навсякъде, въпросът е само колко от него. Смята се, че в нашата Галактика масата на тъмната материя е малко по-малко от 10 процента.

Но вече в близост до Галактиката има повече тъмна материя, можем да видим признаци на присъствие както около нашата, така и около други звездни системи. Разбира се, ние го виждаме благодарение на барионите, наблюдаваме ги и разбираме, че те "държат" там само поради наличието на тъмна материя.

Как учените търсят тъмна материя

От края на 80-те години на миналия век физиците провеждат експерименти в съоръжения дълбоко под земята в опит да уловят сблъсъка на отделни частици тъмна материя. През последните 15 години колективната чувствителност на тези експерименти нараства експоненциално, като се удвоява средно всяка година. Две големи колаборации, XENON и PandaX-II, наскоро пуснаха нови, още по-чувствителни детектори.

Първият от тях построи най-големия в света детектор за тъмна материя XENON1T. Той използва 2000-килограмова мишена с течен ксенон, поставена в 10-метров воден резервоар. Всичко това е под земята на дълбочина от 1,4 километра в Националната лаборатория Гран Сасо (Италия). Инсталацията PandaX-II е заровена на дълбочина от 2,4 километра в китайската провинция Съчуан и съдържа 584 килограма течен ксенон.

И двата експеримента използват ксенон, тъй като той е изключително инертен, което помага да се поддържат ниски нива на шум. В допълнение, ядрата на ксеноновите атоми са относително тежки (съдържащи средно 131 нуклона на ядро), което осигурява "по-голяма" цел за частици от тъмна материя. Ако една от тези частици се сблъска с ядрото на атом ксенон, това ще доведе до слаба, но забележима светкавица (сцинтилация) и образуване на електрически заряд. Наблюдението на дори малък брой подобни събития може да ни даде важни данни за природата на тъмната материя.

Досега нито тези, нито други експерименти са успели да открият частици от тъмна материя, но това мълчание може да се използва за поставяне на горна граница на вероятността от сблъсъци между частици тъмна материя и обикновени частици.

Могат ли частиците на тъмната материя да образуват клъстери като частиците на нормалната материя?

Могат, но целият въпрос е каква плътност. От гледна точка на астрофизика галактиките са плътни обекти, тяхната плътност е от порядъка на един протон на кубичен сантиметър, а звездите са плътни обекти, с плътност от порядъка на грам на кубичен сантиметър. Но има 24 порядъка на разликата между тях. По правило облаците от тъмна материя имат "галактическа" плътност.

Има ли шанс мнозина да търсят частици от тъмна материя?

Те се опитват да уловят взаимодействията на отделни частици тъмна материя с атоми на обикновената материя, както правят с неутрино. Но е много трудно да ги хванеш и не е факт, че това дори е възможно.

Телескопът CAST (CERN Axion Solar Telescope) в CERN търси хипотетични частици - аксиони, от които може да се състои тъмната материя.

Може би тъмната материя обикновено се състои от така наречените "огледални" частици, които по принцип могат да се наблюдават само от тяхната гравитация. Хипотезата за втората "огледална" вселена е предложена преди половин век, тя е вид удвояване на реалността.

Имаме реални наблюдения само от космологията.

Интервюирано от Сергей Кузнецов

Изчисленията на учените показват, че Вселената е 95% съставена от материя, която все още не е изследвана от хората: 70% е тъмна енергия, а 25% е тъмна материя. Предполага се, че първото е вид поле с ненулева енергия, но второто се състои от частици, които могат да бъдат открити и изследвани.

Но не напразно това вещество се нарича скрита маса - търсенето му продължава доста време и е придружено от разгорещени дискусии сред физиците. За да представят своите изследвания на обществеността, CERN дори инициира Деня на тъмната материя, който се отбелязва за първи път днес, 31 октомври.

Изображение на куп от галактики. Линиите показват "очертанията" на тъмната материя

Детектор за тъмна материя

"Все още не е възможно да се каже за какво точно се отнасят данните, събрани в лабораторията на Гран Сасо. Във всеки случай група от Италия даде положителен резултат, а не отричане на нещо, което вече е сензация. Сега сигналите са открити трябва да бъдат обяснени. И това е голям стимул за развитието на различни теории, включително тези, посветени на създаването на модел на тъмна материя. Но дори и учен да се опита да обясни защо получените данни по никакъв начин не се отнасят до тъмната материя, това все още може да бъде нова стъпка в разбирането на природата. Във всеки случай резултатът е и трябва да продължим работата, но аз лично не мога напълно да се съглася, че тъмната материя е открита", коментира Константин Белоцки, водещ изследовател в катедрата по физика на елементарните частици, Национален изследователски ядрен университет МИФИ.