Kummist käevõrud

31. oktoober on tumeaine päev. Lihtsalt kompleksist: mis on tumeaine ja kust seda otsida. Kuidas teadlased tumeainet otsivad

Füüsika teoreetiline konstruktsioon, mida nimetatakse standardmudeliks, kirjeldab kõigi teadusele teadaolevate elementaarosakeste vastastikmõjusid. Kuid see on vaid 5% universumis eksisteerivast ainest, ülejäänud 95% on aga täiesti tundmatu olemusega. Mis on see hüpoteetiline tumeaine ja kuidas teadlased seda tuvastada üritavad? Sellest räägib eriprojekti raames Moskva Füüsika ja Tehnoloogia Instituudi üliõpilane, füüsika ja astrofüüsika osakonna töötaja Hayk Hakobyan.

Elementaarosakeste standardmudel, mis sai lõpliku kinnituse pärast Higgsi bosoni avastamist, kirjeldab meile teadaolevate tavaliste osakeste – leptonite, kvarkide ja interaktsioonikandjate (bosonite ja gluoonide) – fundamentaalseid vastastikmõjusid (elektroakne ja tugev). Selgub aga, et kogu see tohutu kompleksteooria kirjeldab vaid umbes 5–6% kogu mateeriast, ülejäänud aga sellesse mudelisse ei mahu. Vaatlused meie universumi elu esimestest hetkedest näitavad meile, et ligikaudu 95% meid ümbritsevast ainest on täiesti tundmatut laadi. Teisisõnu, me kaudselt näeme selle peidetud aine olemasolu tänu gravitatsioonilisele mõjule, kuid siiani pole olnud võimalik seda otseselt tabada. Seda peidetud massi nähtust on nimetatud koodnimega "tumeaine".

Kaasaegne teadus, eriti kosmoloogia, töötab Sherlock Holmesi deduktiivse meetodi järgi

Nüüd on WISP grupi põhikandidaat aksioon, mis tekib tugeva interaktsiooni teoorias ja millel on väga väike mass. Selline osake on võimeline tugevates magnetväljades muutuma footon-footon paariks, mis annab vihjeid, kuidas seda tuvastada. ADMX-i katses kasutatakse suuri kambreid, mis loovad 80 000 gaussi magnetvälja (see on 100 000 korda suurem kui Maa magnetväli). Teoreetiliselt peaks selline väli stimuleerima aksioni lagunemist footon-footon paariks, mille detektorid peaksid kinni püüdma. Vaatamata arvukatele katsetele pole WIMP-sid, aksione ega steriilseid neutriinosid veel leitud.

Nii oleme rännanud läbi tohutul hulgal erinevaid hüpoteese, mis püüavad seletada tumeda massi veidrat kohalolu ning lükates vaatluste abil kõrvale kõik võimatu, oleme jõudnud mitme võimaliku hüpoteesini, millega saame juba praegu töötada.

Negatiivne tulemus teaduses on ka tulemus, kuna see piirab osakeste erinevaid parameetreid, näiteks välistab võimalike masside ulatuse. Aasta-aastalt tehakse üha uusi vaatlusi ja katseid kiirendites, mis annavad tumeaine osakeste massile ja muudele parameetritele uued, rangemad piirid. Seega, heites välja kõik võimatud variandid ja ahendades otsingute ringi, jõuame päev-päevalt lähemale mõistmisele, millest koosneb 95% meie Universumi ainest.

MOSKVA, 31. oktoober - RIA Novosti, Olga Kolentsova. Teadlaste arvutused on näidanud, et Universum koosneb 95% ulatuses ainest, mida inimesed pole veel uurinud: 70% on tumeenergia ja 25% tumeaine. Eeldatakse, et esimene on mingi nullist erineva energiaga väli, teine aga koosneb osakestest, mida saab tuvastada ja uurida. Kuid asjata ei kutsuta seda ainet varjatud massiks – selle otsimine kestab märkimisväärselt kaua ja sellega kaasnevad tulised arutelud füüsikute vahel. Oma uurimistöö avalikkuse ette toomiseks algatas CERN isegi tumeda aine päeva, mida tähistatakse esimest korda täna, 31. oktoobril.

Tumeaine olemasolu pooldajad esitavad üsna kaalukaid argumente, mida kinnitavad eksperimentaalsed faktid. Selle äratundmine algas XX sajandi kolmekümnendatel, kui Šveitsi astronoom Fritz Zwicky mõõtis kiirust, millega kooma parve galaktikad liiguvad ümber ühise keskpunkti. Teatavasti oleneb liikumiskiirus massist. Teadlase arvutused näitasid, et galaktikate tegelik mass peab olema palju suurem kui teleskoopidega vaatluste käigus kindlaks määratud. Selgus, et üsna suur osa galaktikatest pole meile lihtsalt nähtavad. Seetõttu koosneb see ainest, mis ei peegelda ega neela valgust.

Teine kinnitus varjatud massi olemasolu kohta on valguse muutumine galaktikaid läbides. Fakt on see, et iga massiga objekt moonutab valguskiirte sirgjoonelist kulgu. Seega teeb tumeaine valguspildis (kauge objekti kujutises) omad muudatused ja see erineb pildist, mille tekitaks ainult nähtav aine. Tumeaine olemasolu kohta on kümme tõendit, kuid kaks kirjeldatud on peamised.

Kuigi tõendid tumeaine olemasolu kohta on üsna veenvad, pole siiani keegi selle moodustavaid osakesi leidnud ega uurinud. Füüsikud viitavad sellele, et selline salatsemine on tingitud kahest põhjusest. Esimene on see, et nendel osakestel on liiga suur mass (seoses energiaga valemiga E=mc² ), mistõttu tänapäevaste kiirendite võimalustest sellise osakese "loomiseks" lihtsalt ei piisa. Teine põhjus on tumeaine ilmumise väga väike tõenäosus. Võib-olla ei leia me seda just seetõttu, et see suhtleb inimkeha ja meile tuntud osakestega ülimalt nõrgalt. Kuigi tumeainet on kõikjal (arvutuste järgi) ja selle osakesed tormavad meist sõna otseses mõttes iga sekundiga läbi, me lihtsalt ei tunne seda.

Universumi tumeaine on "kaalust alla võtmas", väidavad Vene füüsikudTumeaine hulk Universumis on vähenenud umbes 2-5%, mis võib seletada mõne olulise kosmoloogilise parameetri väärtuse lahknevusi Suure Paugu ajal ja tänapäeval.

Tumeaine osakeste tuvastamiseks kasutavad teadlased maa all asuvaid detektoreid, et minimeerida tarbetuid mõjusid. Eeldatakse, et aeg-ajalt põrkuvad tumeaine osakesed ikkagi kokku aatomituumadega, kannavad neile osa oma impulssist, löövad välja elektrone ja põhjustavad valgussähvatusi. Selliste kokkupõrgete sagedus sõltub tumeaine osakeste koosmõju tõenäosusest tuumaga, nende kontsentratsioonist ja suhtelisest kiirusest (võttes arvesse Maa liikumist ümber Päikese). Kuid katserühmad eitavad isegi mõju tuvastamisel, et detektori reaktsioon oli põhjustatud tumeainest. Ja ainult Itaalia eksperimentaalrühm DAMA, kes töötab Gran Sasso maa-aluses laboris, teatab signaalide loenduskiiruse iga-aastastest erinevustest, mis arvatavasti on seotud Maa liikumisega läbi galaktilise varjatud massi.

Selles katses mõõdetakse detektoris valgussähvatuste arvu ja energiat mitme aasta jooksul. Teadlased tõestasid selliste sündmuste loenduskiiruse nõrkade (umbes 2%) iga-aastaste kõikumiste olemasolu.

Kuigi Itaalia rühm kaitseb enesekindlalt katsete usaldusväärsust, on teadlaste arvamused selles küsimuses üsna mitmetähenduslikud. Itaalia kontserni saadud tulemuste peamine nõrk koht on nende korramatus. Näiteks kui gravitatsioonilained avastati, tuvastasid need laborid üle maailma, kinnitades sellega teiste rühmade saadud andmeid. DAMA puhul on olukord teine – keegi teine maailmas ei saa kiidelda samade tulemustega! Muidugi on võimalus, et sellel rühmal on võimsamad detektorid või oma meetodid, kuid eksperimendi selline ainulaadsus paneb mõned teadlased selle usaldusväärsuses kahtlema.

"Praegu ei saa veel täpselt öelda, millele Gran Sasso laboris kogutud andmed viitavad. Igal juhul andis Itaaliast pärit grupp positiivse tulemuse, mitte aga juba sensatsioonina tunduva eituse. Nüüd leiti signaalid ja see on suurepärane stiimul mitmesuguste teooriate, sealhulgas tumeaine mudeli loomisele pühendatud teooriate väljatöötamiseks.Kuid isegi kui teadlane püüab selgitada, miks saadud andmed ei ole mingil moel seotud tumeaine, see võib siiski olla uus samm looduse mõistmisel. Igal juhul tulemus on ja tööd tuleb jätkata, aga mina isiklikult ei saa täielikult nõustuda sellega, et tumeainet on hetkel leitud," kommenteerib Konstantin Belotski. juhtivteadur National Research Nuclear University MEPhI elementaarosakeste füüsika osakonnas.

Tumeaine ei kiirga ega neela valgust, praktiliselt ei suhtle "tavalise" ainega, teadlastel pole veel õnnestunud tabada ainsatki "tumedat" osakest. Kuid ilma selleta ei saaks meile ega meile endile tuttav Universum eksisteerida. Tumeaine päeval, mida tähistatakse 31. oktoobril (füüsikud on otsustanud, et on just õige aeg pimeda ja tabamatu aine auks puhkust pidada) N+1 küsis Lebedevi Füüsikalise Instituudi astrokosmosekeskuse teoreetilise astrofüüsika osakonna juhataja Andrey Doroškevitš, mis on tumeaine ja miks see nii oluline on.

N+1: Kui kindlad on teadlased tänapäeval, et tumeaine on tõesti olemas?

Andrei Doroškevitš: Peamised tõendid on kosmilise mikrolaine taustkiirguse kõikumiste vaatlused, st tulemused, mida WMAP ja "" kosmoseaparaat on viimase 15 aasta jooksul saanud.

Nad mõõtsid suure täpsusega kosmilise mikrolaine tausta, see tähendab kosmilise mikrolaine fooni temperatuuri häireid. Need häired on säilinud alates rekombinatsiooni ajastust, mil ioniseeritud vesinik muutus neutraalseteks aatomiteks.

Need mõõtmised näitasid kõikumisi, väga väikeseid, umbes kümnetuhandik kelvinit. Kuid kui nad hakkasid neid andmeid võrdlema teoreetiliste mudelitega, leidsid nad olulisi erinevusi, mida ei saa seletada muul viisil kui tumeaine olemasolu. Tänu sellele suutsid nad kuni protsendilise täpsusega välja arvutada tume- ja tavaaine proportsioonid Universumis.

Aine jaotus universumis (vasakult paremale) enne ja pärast Plancki teleskoobi andmeid

Teadlased on teinud palju katseid nähtamatust ja hoomamatust tumeainest vabanemiseks, on loodud modifitseeritud gravitatsiooni teooriaid, näiteks MOND, mis püüavad selgitada täheldatud mõjusid. Miks eelistatakse tumeaine mudeleid?

Olukord on väga lihtne: tänapäevane Einsteini gravitatsiooniteooria töötab Maa skaaladel hästi, satelliidid lendavad selle teooria ranges kooskõlas. Ja see toimib kosmoloogilistel skaalal väga hästi. Ja kõik kaasaegsed mudelid, mis muudavad gravitatsiooni, ei suuda kõike seletada. Nad toovad Newtoni seadusesse uusi konstante, mis võimaldavad selgitada tumeaine olemasolu mõju galaktikate tasemel, kuid kosmoloogilisel skaalal jääb mööda.

Kas gravitatsioonilainete avastamine võiks siin aidata? Võib-olla aitab mõnest teooriast kõrvale heita?

See, mida gravitatsioonilained on nüüd mõõtnud, on tohutu tehniline, mitte teaduslik edu. Nende olemasolu oli teada juba 40 aastat tagasi, kui (kaudselt) avastati binaarse pulsari gravitatsioonikiirgus. Gravitatsioonilainete vaatlused kinnitasid taaskord mustade aukude olemasolu, kuigi varem me selles ei kahelnud, kuid nüüd on meil siin enam-vähem otsesed tõendid.

Mõju vorm, gravitatsioonilainete muutused koos võimsusega, võivad anda meile väga kasulikku teavet, kuid me peame ootama veel viis kuni kümme aastat, kuni meil on piisavalt andmeid gravitatsiooniteooriate täpsustamiseks.

Kuidas teadlased õppisid tundma tumeainet

Tumeaine ajalugu sai alguse 1933. aastal, kui astronoom Fritz Zwicky uuris galaktikate kiirusjaotust kooma Berenicese tähtkujus paiknevas parves. Ta leidis, et galaktikad parves liiguvad liiga kiiresti ja kui arvestada ainult nähtavat ainet, ei saaks parv olla stabiilne – galaktikad lihtsalt hajuksid eri suundades.

16. veebruaril 1933 avaldatud artiklis pakkus Zwicky, et neid hoiab koos nähtamatu gravitatsiooniline aine Dunkle Materie.

Veidi hiljem kinnitasid ka teised astronoomid lahknevust galaktikate "nähtava" massi ja nende liikumise parameetrite vahel.

1958. aastal pakkus nõukogude astrofüüsik Viktor Ambartsumyan Zwicky paradoksile oma lahenduse. Tema arvates ei sisalda galaktikate parved ühtegi nähtamatut ainet, mis neid gravitatsiooniliselt kinni hoiaks. Me lihtsalt jälgime klastreid lagunemise protsessis. Kuid enamik astronoome ei nõustunud selle seletusega, kuna sel juhul ei oleks parvede eluiga pikem kui üks miljard aastat ning arvestades, et Universumi eluiga on kümme korda pikem, poleks tänaseks parvesid lihtsalt järel.

Üldtunnustatud ideed tumeaine kohta ütlevad, et see koosneb WIMP-idest (WIMP-idest), massiivsetest osakestest, mis peaaegu ei suhtle tavalise aine osakestega. Mida saab nende omaduste kohta öelda?

Neil on üsna suur mass – ja see on peaaegu kõik, me ei oska isegi täpset massi nimetada. Need läbivad pikki vahemaid ilma kokkupõrgeteta, kuid tihedushäired neis ei kao isegi suhteliselt väikeses mastaabis – ja see on ainus asi, mida tänapäeval mudelite jaoks vajame.

CMB annab meile tumeaine omadused suurtes skaalades, galaktikaparvede skaaladel. Kuid selleks, et "laskuda" väikeste galaktikate skaalale, oleme sunnitud kasutama teoreetilisi mudeleid.

Väikeste galaktikate olemasolu viitab sellele, et isegi suhteliselt väikestes mastaapides esines ebahomogeensusi, mis tekkisid vahetult pärast Suurt Pauku. Sellised ebahomogeensused võivad tuhmuda, siluda, kuid me teame kindlalt, et väikeste galaktikate skaalal pole need tuhmunud. See viitab sellele, et nendel tumeaine osakestel peavad olema sellised omadused, et need häired püsivad.

Kas on õige öelda, et tähed said tekkida ainult tumeaine tõttu?

Mitte päris. Ilma tumeaineta ei saaks tekkida galaktikad ja tähed väljaspool galaktikaid. Erinevalt tumeainest on barüonid alati kuumad, interakteeruvad taustkiirgusega. Seetõttu ei saa nad iseseisvalt tähtedeks koonduda, tähemassiga barüonide gravitatsioon ei suuda nende survet ületada.

Tumeaine osakesed toimivad kui nähtamatu tsement, mis tõmbab barüone galaktikatesse ja seejärel algab neis tähtede tekkeprotsess. Tumedat ainet on kuus korda rohkem kui barüone, see "juhib" ja barüonid ainult järgivad seda.

Xenon tumeaine osakeste detektor XENON1T

Xenon100 koostöö

Kas meie ümber on palju tumeainet?

Seda on kõikjal, küsimus on ainult selles, kui palju seda on. Arvatakse, et meie galaktikas on tumeaine mass veidi alla 10 protsendi.

Kuid juba Galaktika läheduses on tumeainet rohkem, nii meie kui ka teiste tähesüsteemide ümber on näha märke kohalolekust. Muidugi näeme seda tänu barüonidele, vaatleme neid ja saame aru, et nad "hoivad" seal ainult tänu tumeaine olemasolule.

Kuidas teadlased tumeainet otsivad

Alates 1980. aastate lõpust on füüsikud teinud sügaval maa all asuvates rajatistes eksperimente, püüdes tabada tumeaine üksikute osakeste kokkupõrget. Viimase 15 aasta jooksul on nende katsete kollektiivne tundlikkus plahvatuslikult kasvanud, kahekordistudes keskmiselt igal aastal. Kaks suurt koostööprojekti, XENON ja PandaX-II, tõid hiljuti turule uued, veelgi tundlikumad detektorid.

Esimene neist ehitas maailma suurima tumeaine detektori XENON1T. See kasutab 2000-kilost vedelat ksenooni sihtmärki, mis on asetatud 10 meetri kõrgusesse veepaaki. Kõik see asub maa all 1,4 kilomeetri sügavusel Gran Sasso riiklikus laboris (Itaalia). PandaX-II installatsioon on maetud Hiina Sichuani provintsis 2,4 kilomeetri sügavusele ja sisaldab 584 kilogrammi vedelat ksenooni.

Mõlemas katses kasutatakse ksenooni, kuna see on äärmiselt inertne, mis aitab hoida mürataset madalal. Lisaks on ksenooni aatomite tuumad suhteliselt rasked (sisaldavad keskmiselt 131 nukleoni tuuma kohta), mis annab tumeaine osakestele "suurema" sihtmärgi. Kui üks neist osakestest põrkab kokku ksenooni aatomi tuumaga, põhjustab see nõrga, kuid tajutava valgussähvatuse (stsintillatsioon) ja elektrilaengu moodustumise. Isegi väikese arvu selliste sündmuste jälgimine võib anda meile olulisi andmeid tumeaine olemuse kohta.

Siiani pole ei nende ega ka teiste katsetega suudetud tumeaine osakesi tuvastada, kuid selle vaikuse abil saab seada tumeaine osakeste ja tavaliste osakeste kokkupõrgete tõenäosusele ülemise piiri.

Kas tumeaine osakesed võivad moodustada klastreid nagu tavalised aineosakesed?

Saavad, aga küsimus on selles, millise tihedusega. Astrofüüsika seisukohalt on galaktikad tihedad objektid, mille tihedus on suurusjärgus üks prooton kuupsentimeetri kohta ja tähed on tihedad objektid, mille tihedus on suurusjärgus grammi kuupsentimeetri kohta. Kuid nende vahel on 24 suurusjärku. Tumeaine pilvedel on reeglina "galaktiline" tihedus.

Kas paljudel on võimalusi tumeaine osakesi otsida?

Nad püüavad tabada tumeaine üksikute osakeste koostoimeid tavalise aine aatomitega, nagu nad teevad seda neutriinodega. Kuid neid on väga raske tabada ja pole tõsi, et see on üldse võimalik.

CERNi teleskoop CAST (CERN Axion Solar Telescope) otsib hüpoteetilisi osakesi – aksioone, millest tumeaine võib koosneda.

Võib-olla koosneb tumeaine üldiselt nn peegelosakestest, mida saab põhimõtteliselt jälgida ainult nende gravitatsiooni järgi. Teise "peegli" universumi hüpotees pakuti välja pool sajandit tagasi, see on omamoodi reaalsuse kahekordistamine.

Meil on tõelisi tähelepanekuid ainult kosmoloogiast.

Intervjueeris Sergei Kuznetsov

Teadlaste arvutused on näidanud, et Universum koosneb 95% ulatuses ainest, mida inimesed pole veel uurinud: 70% on tumeenergia ja 25% tumeaine. Eeldatakse, et esimene on mingi nullist erineva energiaga väli, teine aga koosneb osakestest, mida saab tuvastada ja uurida.

Kuid asjata ei kutsuta seda ainet varjatud massiks – selle otsimine kestab märkimisväärselt kaua ja sellega kaasnevad tulised arutelud füüsikute vahel. Oma uurimistöö avalikkuse ette toomiseks algatas CERN isegi tumeda aine päeva, mida tähistatakse esimest korda täna, 31. oktoobril.

Pilt galaktikate parvest. Jooned näitavad tumeaine "kontuure".

Kuigi tõendid tumeaine olemasolu kohta on üsna veenvad, pole siiani keegi selle moodustavaid osakesi leidnud ega uurinud. Füüsikud viitavad sellele, et selline salatsemine on tingitud kahest põhjusest. Esimene on see, et nendel osakestel on liiga suur mass (seoses energiaga valemi E = mc² kaudu), mistõttu tänapäevaste kiirendite võimalustest sellise osakese "loomiseks" lihtsalt ei piisa. Teine põhjus on tumeaine ilmumise väga väike tõenäosus. Võib-olla ei leia me seda just seetõttu, et see suhtleb inimkeha ja meile tuntud osakestega ülimalt nõrgalt. Kuigi tumeainet on kõikjal (arvutuste järgi) ja selle osakesed tormavad meist sõna otseses mõttes iga sekundiga läbi, me lihtsalt ei tunne seda.

Tumeaine detektor

"Praegu ei saa veel täpselt öelda, millele Gran Sasso laboris kogutud andmed viitavad. Igal juhul andis Itaaliast pärit grupp positiivse tulemuse, mitte aga juba sensatsioonina tunduva eituse. Nüüd leiti signaalid ja see on suurepärane stiimul mitmesuguste teooriate, sealhulgas tumeaine mudeli loomisele pühendatud teooriate väljatöötamiseks.Kuid isegi kui teadlane püüab selgitada, miks saadud andmed ei ole mingil moel seotud tumeaine, võib see siiski olla uus samm looduse mõistmisel. Igal juhul on tulemus ja me peame tööd jätkama, kuid ma isiklikult ei saa täielikult nõustuda, et tumeaine on leitud," kommenteerib juhtivteadur Konstantin Belotski. riikliku tuumauuringute tuumaülikooli MEPhI elementaarosakeste füüsika osakonnas.