31. oktobar je dan tamne materije. Samo o kompleksu: šta je tamna materija i gde je tražiti. Kako naučnici traže tamnu materiju
Teorijska konstrukcija u fizici, nazvana standardni model, opisuje interakcije svih elementarnih čestica poznatih nauci. Ali to je samo 5% supstance koja postoji u Univerzumu, dok je preostalih 95% potpuno nepoznate prirode. Šta je to hipotetička tamna materija i kako je naučnici pokušavaju otkriti? Hayk Hakobyan, student Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju i zaposlenik Odsjeka za fiziku i astrofiziku, govori o tome u okviru posebnog projekta.
Standardni model elementarnih čestica, konačno potvrđen nakon otkrića Higgsovog bozona, opisuje fundamentalne interakcije (elektroslabe i jake) nama poznatih običnih čestica: leptona, kvarkova i nosilaca interakcija (bozona i gluona). Međutim, ispostavilo se da sva ova ogromna složena teorija opisuje samo oko 5-6% sve materije, dok se ostatak ne uklapa u ovaj model. Zapažanja iz najranijih trenutaka života našeg svemira pokazuju nam da je otprilike 95% materije koja nas okružuje potpuno nepoznate prirode. Drugim rečima, indirektno vidimo prisustvo ove skrivene materije zbog njenog gravitacionog uticaja, ali do sada je nije bilo moguće direktno uhvatiti. Ovaj fenomen skrivene mase nazvan je "tamna materija".
Moderna nauka, posebno kosmologija, radi prema deduktivnoj metodi Sherlocka Holmesa
Sada je glavni kandidat iz WISP grupe aksion, koji nastaje u teoriji jake interakcije i ima vrlo malu masu. Takva čestica je sposobna da se transformiše u par foton-foton u visokim magnetnim poljima, što daje naznake kako se može pokušati detektovati. Eksperiment ADMX koristi velike komore koje stvaraju magnetno polje od 80.000 gausa (to je 100.000 puta više od magnetnog polja Zemlje). U teoriji, takvo polje bi trebalo stimulirati raspad aksiona u par foton-foton, koji bi detektori trebali uhvatiti. Uprkos brojnim pokušajima, WIMP-ovi, aksioni ili sterilni neutrini još uvijek nisu pronađeni.
Tako smo prošli kroz ogroman broj različitih hipoteza koje nastoje da objasne čudnu prisutnost tamne mase i, odbacivši sve nemoguće uz pomoć zapažanja, došli smo do nekoliko mogućih hipoteza s kojima već možemo raditi.
Negativan rezultat u nauci je također rezultat, jer ograničava različite parametre čestica, na primjer, eliminira raspon mogućih masa. Iz godine u godinu sve više novih opažanja i eksperimenata u akceleratorima daju nova, stroža ograničenja mase i drugih parametara čestica tamne materije. Tako, izbacujući sve nemoguće opcije i sužavajući krug traženja, iz dana u dan sve smo bliže razumijevanju od čega se sastoji 95% materije u našem Univerzumu.
MOSKVA, 31. oktobra - RIA Novosti, Olga Kolentsova. Proračuni naučnika su pokazali da se Univerzum 95% sastoji od materije koju ljudi još nisu istražili: 70% je tamna energija, a 25% tamna materija. Pretpostavlja se da je prvo vrsta polja sa energijom različitom od nule, ali se drugo sastoji od čestica koje se mogu detektovati i proučavati. Ali nije uzalud ova supstanca nazvana skrivenom masom - njena potraga traje dosta vremena i praćena je žestokim raspravama među fizičarima. Kako bi svoje istraživanje približili javnosti, CERN je čak pokrenuo Dan tamne materije, koji se prvi put obilježava danas, 31. oktobra.
Zagovornici postojanja tamne materije daju prilično teške argumente, potvrđene eksperimentalnim činjenicama. Njegovo prepoznavanje počelo je tridesetih godina XX veka, kada je švajcarski astronom Fric Zwicky izmjerio brzinu kojom se galaksije jata Koma kreću oko zajedničkog centra. Kao što znate, brzina kretanja ovisi o masi. Proračuni naučnika pokazali su da prava masa galaksija mora biti mnogo veća od one utvrđene u procesu posmatranja teleskopima. Ispostavilo se da nam prilično veliki dio galaksija jednostavno nije vidljiv. Dakle, sastoji se od materije koja ne reflektuje i ne apsorbuje svetlost.
Druga potvrda postojanja skrivene mase je promjena svjetlosti dok ona prolazi kroz galaksije. Činjenica je da bilo koji objekt s masom iskrivljuje pravolinijski tok svjetlosnih zraka. Tako će tamna materija napraviti svoje promjene u svjetlosnoj slici (slika udaljenog objekta), te će postati drugačija od slike koju bi stvorila samo vidljiva materija. Postoji deset dokaza za postojanje tamne materije, ali dva opisana su glavna.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Iako su dokazi o postojanju tamne materije prilično uvjerljivi, do sada niko nije pronašao i proučavao čestice koje je čine. Fizičari sugeriraju da je ovakva tajnovitost posljedica dva razloga. Prvi je da ove čestice imaju previsoku masu (povezanu sa energijom kroz formulu E=mc² ), tako da mogućnosti modernih akceleratora jednostavno nisu dovoljne da se takva čestica „stvori“. Drugi razlog je vrlo mala vjerovatnoća pojave tamne materije. Možda ga ne možemo pronaći upravo zato što izuzetno slabo stupa u interakciju s ljudskim tijelom i nama poznatim česticama. Iako je tamna materija posvuda (prema proračunima) i njene čestice bukvalno svake sekunde jure kroz nas, mi je jednostavno ne osjećamo.
Da bi otkrili čestice tamne materije, naučnici koriste detektore koji se nalaze pod zemljom kako bi minimizirali nepotrebne udare. Pretpostavlja se da se čestice tamne materije povremeno sudaraju s atomskim jezgrama, prenose im dio svog momenta, izbacuju elektrone i izazivaju bljeskove svjetlosti. Učestalost takvih sudara ovisi o vjerovatnoći interakcije čestica tamne materije sa jezgrom, njihovoj koncentraciji i relativnoj brzini (uzimajući u obzir kretanje Zemlje oko Sunca). Ali eksperimentalne grupe, čak i kada detektuju neki udar, poriču da je ovaj odgovor detektora uzrokovan tamnom materijom. I samo italijanska eksperimentalna grupa DAMA, koja radi u podzemnoj laboratoriji Gran Sasso, izvještava o uočenim godišnjim varijacijama u stopi brojanja signala, vjerojatno povezanih s kretanjem Zemlje kroz galaktičku skrivenu masu.
© Fotografija: SuperCMDS Collaboration
U ovom eksperimentu, broj i energija bljeskova svjetlosti unutar detektora mjere se tokom nekoliko godina. Istraživači su dokazali prisustvo slabih (oko 2%) godišnjih fluktuacija u stopi brojanja takvih događaja.
Iako italijanska grupa pouzdano brani pouzdanost eksperimenata, mišljenja naučnika o ovom pitanju su prilično dvosmislena. Glavna slaba tačka rezultata koje je dobila italijanska grupa je njihova neponovljivost. Na primjer, kada su otkriveni gravitacijski valovi, otkrili su ih laboratoriji širom svijeta, čime su potvrđeni podaci drugih grupa. U slučaju DAMA-e situacija je drugačija - niko drugi na svijetu ne može se pohvaliti istim rezultatima! Naravno, postoji mogućnost da ova grupa ima moćnije detektore ili vlastite metode, ali ova jedinstvenost eksperimenta izaziva sumnju nekih istraživača u njegovu pouzdanost.
"Još se ne može reći na šta se tačno odnose podaci prikupljeni u laboratoriji Gran Sasso. U svakom slučaju, grupa iz Italije dala je pozitivan rezultat, a ne poricanje nečega što je već senzacija. Sada su pronađeni signali A ovo je veliki podsticaj za razvoj raznih teorija, uključujući i one posvećene stvaranju modela tamne materije. Ali čak i ako naučnik pokuša da objasni zašto se dobijeni podaci ni na koji način ne odnose na tamna materija, ovo još uvek može biti novi korak u razumevanju prirode. U svakom slučaju, rezultat je i moramo da nastavimo sa radom, ali ja se lično ne mogu u potpunosti složiti da je tamna materija trenutno pronađena,” komentariše Konstantin Belotsky, vodeći istraživač na Odsjeku za fiziku elementarnih čestica, Nacionalni istraživački nuklearni univerzitet MEPhI.
Tamna materija ne emituje niti apsorbuje svetlost, praktično ne stupa u interakciju sa „običnom“ materijom, naučnici još nisu uspeli da uhvate ni jednu „tamnu“ česticu. Ali bez toga, nama poznati Univerzum, a ni mi sami, ne bi mogli postojati. Na Dan tamne materije, koji se obilježava 31. oktobra (fizičari su odlučili da je to pravo vrijeme da se priredi praznik u čast tamne i neuhvatljive supstance), N+1 pitao je Andreja Doroškeviča, šefa Odeljenja za teorijsku astrofiziku Astrosvemirskog centra Fizičkog instituta Lebedeva, šta je tamna materija i zašto je toliko važna.
N+1: Koliko su naučnici danas sigurni da tamna materija zaista postoji?
Andrej Doroshkevich: Glavni dokaz su zapažanja fluktuacija kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja, odnosno rezultati koje su letjelice WMAP i "" dobile u proteklih 15 godina.
Izmjerili su perturbaciju temperature kosmičke mikrotalasne pozadine, odnosno kosmičke mikrotalasne pozadine, sa velikom preciznošću. Ove perturbacije su sačuvane još od ere rekombinacije, kada se jonizovani vodonik pretvarao u neutralne atome.
Ova mjerenja su pokazala prisustvo fluktuacija, vrlo malih, oko jedne desethiljaditi dio kelvina. Ali kada su te podatke počeli upoređivati s teorijskim modelima, otkrili su bitne razlike koje se ne mogu objasniti ni na koji drugi način osim na prisutnost tamne tvari. Zahvaljujući tome, uspjeli su izračunati proporcije tamne i obične materije u svemiru s točnošću do procenta.
Distribucija materije u svemiru (s lijeva na desno) prije i poslije podataka sa Planck teleskopa
Naučnici su činili mnogo pokušaja da se riješe nevidljive i neprimjetne tamne materije, stvorene su teorije modificirane gravitacije, poput MOND-a koje pokušavaju objasniti uočene efekte. Zašto su modeli tamne materije poželjniji?
Situacija je vrlo jednostavna: moderna Ajnštajnova teorija gravitacije dobro funkcioniše na zemaljskim razmerama, sateliti lete u strogom skladu sa ovom teorijom. I vrlo dobro se ponaša na kosmološkim skalama. A svi moderni modeli koji mijenjaju gravitaciju ne mogu sve objasniti. Oni uvode nove konstante u Newtonov zakon, koji omogućava objašnjenje efekata prisustva tamne materije na nivou galaksija, ali promašuje na kosmološkoj skali.
Može li otkriće gravitacijskih valova pomoći ovdje? Možda će vam pomoći da odbacite neke od teorija?
Ono što su gravitacioni talasi sada izmjerili je ogroman tehnički, a ne naučni uspjeh. Da postoje znalo se prije 40 godina kada je (indirektno) otkriveno gravitacijsko zračenje iz binarnog pulsara. Posmatranja gravitacionih talasa još jednom su potvrdila postojanje crnih rupa, iako ranije nismo sumnjali u to, ali sada ovde imamo manje-više direktne dokaze.
Oblik efekta, promjene gravitacijskih valova sa snagom, mogu nam dati vrlo korisne informacije, ali trebamo pričekati još pet do deset godina dok ne budemo imali dovoljno podataka da preciziramo teorije gravitacije.
Kako su naučnici naučili o tamnoj materiji
Istorija tamne materije počela je 1933. godine, kada je astronom Fritz Zwicky proučavao raspodjelu brzina galaksija u jatu smještenom u sazviježđu Berenice Coma. Otkrio je da se galaksije u jatu kreću prebrzo, a ako se uzme u obzir samo vidljiva materija, jato ne bi moglo biti stabilno - galaksije bi se jednostavno raspršile u različitim smjerovima.
U članku objavljenom 16. februara 1933., Zwicky je sugerirao da ih zajedno drži nevidljiva gravitacijska supstanca, Dunkle Materie.
Nešto kasnije, nesklad između "vidljive" mase galaksija i parametara njihovog kretanja potvrdili su i drugi astronomi.
Godine 1958. sovjetski astrofizičar Viktor Ambartsumyan predložio je vlastito rješenje za Zwickyjev paradoks. Po njegovom mišljenju, jata galaksija ne sadrže nikakvu nevidljivu materiju koja bi ih gravitaciono držala. Mi jednostavno posmatramo klastere u procesu raspadanja. Međutim, većina astronoma nije prihvatila ovo objašnjenje, jer u ovom slučaju životni vijek klastera ne bi bio duži od milijardu godina, a s obzirom na to da je životni vijek Univerzuma deset puta duži, do danas jednostavno ne bi bilo klastera.
Općeprihvaćene ideje o tamnoj materiji kažu da se ona sastoji od WIMP-a (WIMP-a), masivnih čestica koje jedva stupaju u interakciju s česticama obične materije. Šta se može reći o njihovim nekretninama?
Imaju prilično veliku masu - i to je skoro sve, ne možemo ni navesti tačnu masu. Oni putuju na velike udaljenosti bez sudara, ali perturbacije gustine u njima ne opadaju čak ni na relativno malim razmjerima - a to je jedino što nam je danas potrebno za modele.
CMB nam daje karakteristike tamne materije na velikim skalama, na skalama jata galaksija. Ali da bismo se "spustili" na skale malih galaksija, primorani smo koristiti teorijske modele.
Samo postojanje malih galaksija sugerira da su čak i na relativno malim razmjerima postojale nehomogenosti koje su nastale ubrzo nakon Velikog praska. Takve nehomogenosti mogu izblijediti, izgladiti, ali sigurno znamo da nisu izblijedjele na skali malih galaksija. Ovo sugerira da ove čestice tamne materije moraju imati svojstva takva da ove perturbacije opstaju.
Da li je tačno reći da se zvezde mogu formirati samo zbog tamne materije?
Ne baš. Bez tamne materije, galaksije se ne bi mogle formirati, a zvezde se ne mogu formirati izvan galaksija. Za razliku od tamne materije, barioni su uvek vrući, u interakciji su sa pozadinskim zračenjem. Stoga se ne mogu sami sastaviti u zvijezde, gravitacija bariona zvjezdane mase ne može nadvladati njihov pritisak.
Čestice tamne materije djeluju poput nevidljivog cementa koji uvlači barione u galaksije i tada u njima počinje proces formiranja zvijezda. Tamne materije ima šest puta više od bariona, ona "vodi", a barioni je samo prate.
Xenon Detektor tamnih čestica XENON1T
Xenon100 saradnja
Ima li puno tamne materije oko nas?
Ima je svuda, samo je pitanje koliko je. Vjeruje se da je u našoj galaksiji masa tamne tvari nešto manja od 10 posto.
Ali već u blizini Galaksije ima više tamne materije, možemo vidjeti znakove prisustva i oko našeg i oko drugih zvjezdanih sistema. Naravno, mi to vidimo zahvaljujući barionima, posmatramo ih i shvatamo da se oni tu "drže" samo zbog prisustva tamne materije.
Kako naučnici traže tamnu materiju
Od kasnih 1980-ih, fizičari su provodili eksperimente u objektima duboko pod zemljom u pokušaju da shvate sudar pojedinačnih čestica tamne materije. Tokom proteklih 15 godina, kolektivna osjetljivost ovih eksperimenata je eksponencijalno rasla, udvostručujući se u prosjeku svake godine. Dvije velike saradnje, XENON i PandaX-II, nedavno su lansirale nove, još osjetljivije detektore.
Prvi od njih je napravio najveći svjetski detektor tamne materije XENON1T. Koristi tečni ksenonski metu od 2.000 kilograma smještenu u rezervoar za vodu visok 10 metara. Sve je to pod zemljom na dubini od 1,4 kilometra u nacionalnoj laboratoriji Gran Sasso (Italija). Instalacija PandaX-II zakopana je na dubini od 2,4 kilometra u kineskoj provinciji Sečuan i sadrži 584 kilograma tečnog ksenona.
Oba eksperimenta koriste ksenon jer je izuzetno inertan, što pomaže u održavanju niskih nivoa buke. Osim toga, jezgra atoma ksenona su relativno teška (sadrže u prosjeku 131 nukleon po jezgru), što predstavlja "veću" metu za čestice tamne materije. Ako se jedna od ovih čestica sudari s jezgrom atoma ksenona, to će dovesti do slabog, ali primjetnog bljeska svjetlosti (scintilacije) i stvaranja električnog naboja. Posmatranje čak i malog broja takvih događaja može nam dati važne podatke o prirodi tamne materije.
Do sada, ni ovi ni bilo koji drugi eksperimenti nisu bili u mogućnosti da otkriju čestice tamne materije, ali ova tišina se može koristiti za postavljanje gornje granice vjerovatnoće sudara između čestica tamne materije i običnih čestica.
Mogu li čestice tamne materije formirati klastere kao čestice normalne materije?
Mogu, ali cijelo je pitanje koje gustine. Sa stanovišta astrofizike, galaksije su gusti objekti, njihova gustina je reda veličine jednog protona po kubnom centimetru, a zvijezde su gusti objekti, gustoće reda grama po kubnom centimetru. Ali između njih postoji razlika od 24 reda veličine. Po pravilu, oblaci tamne materije imaju "galaktičku" gustinu.
Postoje li šanse da mnogi traže čestice tamne materije?
Oni pokušavaju uhvatiti interakcije pojedinačnih čestica tamne materije s atomima obične materije, kao što to rade s neutrinima. Ali vrlo ih je teško uhvatiti, a nije činjenica da je to uopće moguće.
Teleskop CAST (CERN Axion Solar Telescope) u CERN-u traži hipotetičke čestice - aksione, od kojih se može sastojati tamna materija.
Možda se tamna materija generalno sastoji od takozvanih "zrcalnih" čestica, koje se u principu mogu posmatrati samo njihovom gravitacijom. Hipoteza o drugom "ogledalskom" univerzumu predložena je prije pola vijeka, to je svojevrsno udvostručavanje stvarnosti.
Prava zapažanja imamo samo iz kosmologije.
Razgovarao Sergej Kuznjecov
Proračuni naučnika su pokazali da se Univerzum 95% sastoji od materije koju ljudi još nisu istražili: 70% je tamna energija, a 25% tamna materija. Pretpostavlja se da je prvo vrsta polja sa energijom različitom od nule, ali se drugo sastoji od čestica koje se mogu detektovati i proučavati.
Ali ova supstanca nije uzalud nazvana skrivenom masom - njena potraga traje dosta vremena i praćena je žestokim raspravama među fizičarima. Kako bi svoje istraživanje približili javnosti, CERN je čak inicirao Dan tamne materije, koji se po prvi put obilježava danas, 31. oktobra.
Zagovornici postojanja tamne materije daju prilično teške argumente, potvrđene eksperimentalnim činjenicama. Njegovo prepoznavanje počelo je tridesetih godina XX veka, kada je švajcarski astronom Fric Zwicky izmjerio brzinu kojom se galaksije jata Koma kreću oko zajedničkog centra. Kao što znate, brzina kretanja ovisi o masi. Proračuni naučnika pokazali su da prava masa galaksija mora biti mnogo veća od one utvrđene u procesu posmatranja teleskopima. Ispostavilo se da nam prilično veliki dio galaksija jednostavno nije vidljiv. Dakle, sastoji se od materije koja ne reflektuje i ne apsorbuje svetlost.
Druga potvrda postojanja skrivene mase je promjena svjetlosti dok ona prolazi kroz galaksije. Činjenica je da bilo koji objekt s masom iskrivljuje pravolinijski tok svjetlosnih zraka. Tako će tamna materija napraviti svoje promjene u svjetlosnoj slici (slika udaljenog objekta), te će postati drugačija od slike koju bi stvorila samo vidljiva materija. Postoji deset dokaza za postojanje tamne materije, ali dva opisana su glavna.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Slika skupa galaksija. Linije pokazuju "obrise" tamne materije
Iako su dokazi o postojanju tamne materije prilično uvjerljivi, do sada niko nije pronašao i proučavao čestice koje je čine. Fizičari sugeriraju da je ovakva tajnovitost posljedica dva razloga. Prvi je da te čestice imaju previsoku masu (povezanu sa energijom kroz formulu E = mc²), tako da mogućnosti modernih akceleratora jednostavno nisu dovoljne da se "stvori" takva čestica. Drugi razlog je vrlo mala vjerovatnoća pojave tamne materije. Možda ga ne možemo pronaći upravo zato što izuzetno slabo stupa u interakciju s ljudskim tijelom i nama poznatim česticama. Iako je tamna materija posvuda (prema proračunima) i njene čestice bukvalno svake sekunde jure kroz nas, mi je jednostavno ne osjećamo.
Da bi otkrili čestice tamne materije, naučnici koriste detektore koji se nalaze pod zemljom kako bi minimizirali nepotrebne udare. Pretpostavlja se da se čestice tamne materije povremeno sudaraju s atomskim jezgrama, prenose im dio svog momenta, izbacuju elektrone i izazivaju bljeskove svjetlosti. Učestalost takvih sudara ovisi o vjerovatnoći interakcije čestica tamne materije sa jezgrom, njihovoj koncentraciji i relativnoj brzini (uzimajući u obzir kretanje Zemlje oko Sunca). Ali eksperimentalne grupe, čak i kada detektuju neki udar, poriču da je ovaj odgovor detektora uzrokovan tamnom materijom. I samo italijanska eksperimentalna grupa DAMA, koja radi u podzemnoj laboratoriji Gran Sasso, izvještava o uočenim godišnjim varijacijama u stopi brojanja signala, vjerojatno povezanih s kretanjem Zemlje kroz galaktičku skrivenu masu.
Detektor tamne materije
U ovom eksperimentu, broj i energija bljeskova svjetlosti unutar detektora mjere se tokom nekoliko godina. Istraživači su dokazali prisustvo slabih (oko 2%) godišnjih fluktuacija u stopi brojanja takvih događaja.
Iako italijanska grupa pouzdano brani pouzdanost eksperimenata, mišljenja naučnika o ovom pitanju su prilično dvosmislena. Glavna slaba tačka rezultata koje je dobila italijanska grupa je njihova neponovljivost. Na primjer, kada su otkriveni gravitacijski valovi, otkrili su ih laboratoriji širom svijeta, čime su potvrđeni podaci drugih grupa. U slučaju DAMA-e situacija je drugačija - niko drugi na svijetu ne može se pohvaliti istim rezultatima! Naravno, postoji mogućnost da ova grupa ima moćnije detektore ili vlastite metode, ali ova jedinstvenost eksperimenta izaziva sumnju kod nekih istraživača u njegovu pouzdanost.
"Još se ne može reći na šta se tačno odnose podaci prikupljeni u laboratoriji Gran Sasso. U svakom slučaju, grupa iz Italije dala je pozitivan rezultat, a ne poricanje nečega što je već senzacija. Sada su pronađeni signali A ovo je veliki podsticaj za razvoj raznih teorija, uključujući i one posvećene stvaranju modela tamne materije. Ali čak i ako naučnik pokuša da objasni zašto se dobijeni podaci ni na koji način ne odnose na tamne materije, ovo još uvijek može biti novi korak u razumijevanju prirode. U svakom slučaju, rezultat je i moramo nastaviti s radom, ali ja se lično ne mogu u potpunosti složiti da je tamna materija pronađena", komentira Konstantin Belotsky, vodeći istraživač na Odsjeku za fiziku elementarnih čestica, Nacionalni istraživački nuklearni univerzitet MEPhI.
