Bratari din cauciuc

31 octombrie este ziua materiei întunecate. Cam despre complex: ce este materia întunecată și unde să o cauți. Cum caută oamenii de știință materia întunecată

Construcția teoretică din fizică, numită Modelul Standard, descrie interacțiunile tuturor particulelor elementare cunoscute științei. Dar aceasta este doar 5% din substanța existentă în Univers, în timp ce restul de 95% sunt de natură complet necunoscută. Ce este această materie întunecată ipotetică și cum încearcă oamenii de știință să o detecteze? Hayk Hakobyan, student la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova și angajat al Departamentului de Fizică și Astrofizică, vorbește despre acest lucru în cadrul unui proiect special.

Modelul Standard al particulelor elementare, confirmat în final după descoperirea bosonului Higgs, descrie interacțiunile fundamentale (electroslab și puternic) ale particulelor obișnuite cunoscute nouă: leptoni, quarci și purtători de interacțiune (bosoni și gluoni). Cu toate acestea, se dovedește că toată această teorie complexă uriașă descrie doar aproximativ 5-6% din toată materia, în timp ce restul nu se încadrează în acest model. Observațiile din primele momente ale vieții universului nostru ne arată că aproximativ 95% din materia care ne înconjoară este de o natură complet necunoscută. Cu alte cuvinte, vedem indirect prezența acestei materii ascunse datorită influenței sale gravitaționale, dar până acum nu a fost posibil să o prindem direct. Acest fenomen de masă ascunsă a fost denumit de cod „materie întunecată”.

Știința modernă, în special cosmologia, funcționează după metoda deductivă a lui Sherlock Holmes

Acum, principalul candidat din grupul WISP este axionul, care apare în teoria interacțiunii puternice și are o masă foarte mică. O astfel de particulă este capabilă să se transforme într-o pereche foton-foton în câmpuri magnetice mari, ceea ce oferă indicii despre cum se poate încerca să o detecteze. Experimentul ADMX folosește camere mari care creează un câmp magnetic de 80.000 gauss (adică de 100.000 de ori câmpul magnetic al Pământului). În teorie, un astfel de câmp ar trebui să stimuleze dezintegrarea axionului într-o pereche foton-foton, pe care detectorii ar trebui să o prindă. În ciuda numeroaselor încercări, WIMP-urile, axionii sau neutrinii sterili nu au fost încă detectați.

Astfel, am parcurs un număr imens de ipoteze diferite care caută să explice prezența ciudată a unei mase întunecate și, respingând tot ceea ce era imposibil cu ajutorul observațiilor, am ajuns la câteva ipoteze posibile cu care se poate lucra deja.

Un rezultat negativ în știință este, de asemenea, un rezultat, deoarece limitează diferiții parametri ai particulelor, de exemplu, elimină gama de mase posibile. De la an la an, din ce în ce mai multe observații și experimente noi în acceleratoare oferă limite noi și mai stricte asupra masei și altor parametri ai particulelor de materie întunecată. Astfel, aruncând toate opțiunile imposibile și îngustând cercul căutărilor, pe zi ce trece ne apropiem de înțelegerea în ce constă 95% din materia din Universul nostru.

MOSCOVA, 31 octombrie - RIA Novosti, Olga Kolentsova. Calculele oamenilor de știință au arătat că Universul este compus în proporție de 95% din materie care nu a fost încă explorată de oameni: 70% este energie întunecată, iar 25% este materie întunecată. Se presupune că primul este un fel de câmp cu energie diferită de zero, dar al doilea este format din particule care pot fi detectate și studiate. Dar nu degeaba această substanță se numește masă ascunsă - căutarea ei durează o perioadă considerabilă și este însoțită de discuții aprinse între fizicieni. Pentru a-și aduce cercetările publicului, CERN a inițiat chiar și Ziua Materiei Întunecate, care este sărbătorită pentru prima dată astăzi, 31 octombrie.

Susținătorii existenței materiei întunecate dau argumente destul de serioase, confirmate de fapte experimentale. Recunoașterea sa a început în anii treizeci ai secolului XX, când astronomul elvețian Fritz Zwicky a măsurat viteza cu care galaxiile clusterului Coma se mișcă în jurul unui centru comun. După cum știți, viteza de mișcare depinde de masă. Calculele omului de știință au arătat că adevărata masă a galaxiilor trebuie să fie mult mai mare decât cea determinată în procesul de observații cu telescoape. S-a dovedit că o parte destul de mare din galaxii pur și simplu nu ne este vizibilă. Prin urmare, este format din materie care nu reflectă și nu absoarbe lumina.

A doua confirmare a existenței unei mase ascunse este schimbarea luminii pe măsură ce trece prin galaxii. Faptul este că orice obiect cu masă distorsionează cursul rectiliniu al razelor de lumină. Astfel, materia întunecată își va face propriile modificări în imaginea luminoasă (imaginea unui obiect îndepărtat) și va deveni diferită de imaginea care ar fi creată doar de materia vizibilă. Există zece dovezi ale existenței materiei întunecate, dar cele două descrise sunt principalele.

Deși dovezile existenței materiei întunecate sunt destul de convingătoare, până acum nimeni nu a găsit și studiat particulele care o alcătuiesc. Fizicienii sugerează că un astfel de secret se datorează a două motive. Primul este că aceste particule au o masă prea mare (legată de energie prin formula E=mc²), astfel încât capacitățile acceleratoarelor moderne pur și simplu nu sunt suficiente pentru a „crea” o astfel de particule. Al doilea motiv este probabilitatea foarte scăzută de apariție a materiei întunecate. Poate că nu îl putem găsi tocmai pentru că interacționează extrem de slab cu corpul uman și cu particulele cunoscute nouă. Deși materia întunecată este peste tot (conform calculelor) și particulele ei trec prin noi în fiecare secundă, pur și simplu nu o simțim.

Materia întunecată a universului „slăbește”, spun fizicienii rușiCantitatea de materie întunecată din Univers a scăzut cu aproximativ 2-5%, ceea ce poate explica discrepanțele de valoare a unor parametri cosmologici importanți la momentul Big Bang-ului și astăzi.

Pentru a detecta particulele de materie întunecată, oamenii de știință folosesc detectoare care sunt situate sub pământ pentru a minimiza impacturile inutile. Se presupune că, ocazional, particulele de materie întunecată încă se ciocnesc cu nucleele atomice, le transferă o parte din impulsul lor, elimină electronii și provoacă fulgerări de lumină. Frecvența unor astfel de ciocniri depinde de probabilitatea de interacțiune a particulelor de materie întunecată cu nucleul, de concentrația lor și de viteza relativă (ținând cont de mișcarea Pământului în jurul Soarelui). Dar grupurile experimentale, chiar și atunci când detectează un anumit impact, neagă că acest răspuns al detectorului a fost cauzat de materia întunecată. Și doar grupul experimental italian DAMA, care lucrează în laboratorul subteran din Gran Sasso, raportează variațiile anuale observate ale ratei de numărare a semnalelor, probabil asociate cu mișcarea Pământului prin masa ascunsă galactică.

În acest experiment, numărul și energia fulgerelor luminii din interiorul detectorului sunt măsurate pe parcursul mai multor ani. Cercetătorii au demonstrat prezența unor fluctuații anuale slabe (aproximativ 2%) în rata de numărare a unor astfel de evenimente.

Deși grupul italian apără cu încredere fiabilitatea experimentelor, opiniile oamenilor de știință cu privire la această chestiune sunt destul de ambigue. Principalul punct slab al rezultatelor obținute de grupul italian este nereproductibilitatea acestora. De exemplu, atunci când au fost descoperite undele gravitaționale, acestea au fost detectate de laboratoare din întreaga lume, confirmând astfel datele obținute de alte grupuri. În cazul DAMA, situația este diferită – nimeni altcineva din lume nu se poate lăuda că are aceleași rezultate! Desigur, există posibilitatea ca acest grup să aibă detectoare mai puternice sau metode proprii, dar această unicitate a experimentului îi face pe unii cercetători să se îndoiască de fiabilitatea acestuia.

"Încă nu se poate spune exact la ce se referă datele culese în laboratorul Gran Sasso. În orice caz, un grup din Italia a oferit un rezultat pozitiv, și nu o negare a ceva ce este deja o senzație. Acum semnalele găsite Și acesta este un mare stimulent pentru dezvoltarea unei varietăți de teorii, inclusiv cele dedicate creării unui model de materie întunecată.Dar chiar dacă un om de știință încearcă să explice de ce datele obținute nu se referă în niciun caz la materia întunecată, acesta poate fi încă un nou pas în înțelegerea naturii. În orice caz, rezultatul este și trebuie să continuăm munca, dar personal nu sunt pe deplin de acord că materia întunecată a fost găsită în acest moment”, comentează Konstantin Belotsky, un cercetător de frunte la Departamentul de fizică a particulelor elementare, Universitatea Națională de Cercetare Nucleară MEPhI.

Materia întunecată nu emite și nu absoarbe lumină, practic nu interacționează cu materia „obișnuită”, oamenii de știință nu au reușit încă să prindă o singură particulă „întunecată”. Dar fără el, Universul care ne este familiar, și noi înșine, nu ar putea exista. În Ziua materiei întunecate, care este sărbătorită pe 31 octombrie (fizicienii au decis că este momentul potrivit pentru a organiza o sărbătoare în onoarea substanței întunecate și evazive), N+1 a întrebat Andrey Doroshkevich, șeful Departamentului de Astrofizică Teoretică a Centrului Astrospațial al Institutului de Fizică Lebedev, despre ce este materia întunecată și de ce este atât de importantă.

N+1: Cât de încrezători sunt oamenii de știință de astăzi că materia întunecată există cu adevărat?

Andrei Doroshkevich: Principala dovadă este observațiile fluctuațiilor radiației cosmice de fond cu microunde, adică rezultatele pe care WMAP și nava spațială „” le-au primit în ultimii 15 ani.

Ei au măsurat perturbarea temperaturii fondului cosmic cu microunde, adică fondul cosmic cu microunde, cu mare precizie. Aceste perturbații s-au păstrat încă din epoca recombinării, când hidrogenul ionizat s-a transformat în atomi neutri.

Aceste măsurători au arătat prezența unor fluctuații, foarte mici, de aproximativ o zece miimi de kelvin. Dar când au început să compare aceste date cu modele teoretice, au găsit diferențe importante care nu pot fi explicate în alt mod decât prezența materiei întunecate. Datorită acestui fapt, ei au putut calcula proporțiile materiei întunecate și obișnuite din Univers cu o precizie de până la un procent.

Distribuția materiei în univers (de la stânga la dreapta) înainte și după datele de la telescopul Planck

Oamenii de știință au făcut multe încercări de a scăpa de materia întunecată invizibilă și imperceptibilă, au fost create teorii ale gravitației modificate, precum MOND, care încearcă să explice efectele observate. De ce sunt de preferat modelele de materie întunecată?

Situația este foarte simplă: teoria gravitațională a lui Einstein modernă funcționează bine la scara Pământului, sateliții zboară în strictă conformitate cu această teorie. Și se comportă foarte bine la scară cosmologică. Și toate modelele moderne care schimbă gravitația nu pot explica totul. Ele introduc noi constante în legea lui Newton, ceea ce face posibilă explicarea efectelor prezenței materiei întunecate la nivelul galaxiilor, dar ratează la scara cosmologică.

Ar putea descoperirea undelor gravitaționale să ajute aici? Poate vă va ajuta să renunțați la unele dintre teorii?

Ceea ce undele gravitaționale au măsurat acum este un mare succes tehnic, nu științific. Că ele există se știa acum 40 de ani, când a fost descoperită (indirect) radiația gravitațională de la un pulsar binar. Observațiile undelor gravitaționale au confirmat încă o dată existența găurilor negre, deși nu ne-am îndoit înainte, dar acum avem dovezi mai mult sau mai puțin directe aici.

Forma efectului, modificările undelor gravitaționale cu putere, ne pot oferi informații foarte utile, dar trebuie să așteptăm încă cinci până la zece ani până când avem suficiente date pentru a rafina teoriile gravitației.

Cum au aflat oamenii de știință despre materia întunecată

Istoria materiei întunecate a început în 1933, când astronomul Fritz Zwicky a studiat distribuția vitezei galaxiilor dintr-un cluster situat în constelația Coma Berenices. El a descoperit că galaxiile din cluster se mișcă prea repede și, dacă se ia în considerare doar materia vizibilă, clusterul nu ar putea fi stabil - galaxiile ar fi pur și simplu împrăștiate în direcții diferite.

Într-un articol publicat pe 16 februarie 1933, Zwicky a sugerat că erau ținute împreună de o substanță gravitațională invizibilă, Dunkle Materie.

Puțin mai târziu, discrepanța dintre masa „vizibilă” a galaxiilor și parametrii mișcării lor a fost confirmată de alți astronomi.

În 1958, astrofizicianul sovietic Viktor Ambartsumyan și-a propus propria soluție la paradoxul lui Zwicky. În opinia sa, grupurile de galaxii nu conțin nicio materie invizibilă care să le țină gravitațional. Pur și simplu observăm clustere în procesul de dezintegrare. Cu toate acestea, majoritatea astronomilor nu au acceptat această explicație, deoarece în acest caz durata de viață a clusterelor nu ar fi mai mare de un miliard de ani și, având în vedere că durata de viață a Universului este de zece ori mai lungă, pur și simplu nu ar mai rămâne clustere de astăzi.

Ideile general acceptate despre materia întunecată spun că aceasta constă din WIMP (WIMP), particule masive care interacționează cu greu cu particulele de materie obișnuită. Ce se poate spune despre proprietățile lor?

Au o masă destul de mare - și asta este aproape totul, nici măcar nu putem numi masa exactă. Ei parcurg distanțe lungi fără ciocniri, dar perturbațiile de densitate din ele nu se degradează nici măcar la scară relativ mică - și acesta este singurul lucru de care avem nevoie pentru modele astăzi.

CMB ne oferă caracteristicile materiei întunecate la scară mare, la scara clusterelor de galaxii. Dar pentru a „coborî” la scara galaxiilor mici, suntem nevoiți să folosim modele teoretice.

Însăși existența galaxiilor mici sugerează că chiar și la scară relativ mică au existat neomogenități care au apărut la scurt timp după Big Bang. Astfel de neomogenități se pot estompa, se pot netezi, dar știm sigur că nu s-au estompat la scara galaxiilor mici. Acest lucru sugerează că aceste particule de materie întunecată trebuie să aibă proprietăți astfel încât aceste perturbații să persistă.

Este corect să spunem că stelele s-au putut forma numai datorită materiei întunecate?

Nu chiar. Fără materie întunecată, galaxiile nu s-ar putea forma, iar stelele nu se pot forma în afara galaxiilor. Spre deosebire de materia întunecată, barionii sunt întotdeauna fierbinți, interacționează cu radiația de fundal. Prin urmare, ele nu se pot asambla în stele pe cont propriu, gravitația barionilor de masă stelară nu le poate depăși presiunea.

Particulele de materie întunecată acționează ca un ciment invizibil care trage barionii în galaxii și apoi începe procesul de formare a stelelor în ele. Există de șase ori mai multă materie întunecată decât barionii, ea „conduce”, iar barionii doar o urmează.

Detector de particule cu xenon de materie întunecată XENON1T

Colaborare Xenon100

Există multă materie întunecată în jurul nostru?

Este peste tot, singura întrebare este cât de mult. Se crede că în galaxia noastră masa materiei întunecate este ceva mai mică de 10%.

Dar deja în vecinătatea Galaxiei există mai multă materie întunecată, putem vedea semne ale prezenței atât în jurul nostru, cât și în jurul altor sisteme stelare. Desigur, o vedem datorită barionilor, îi observăm și înțelegem că ei „țin” acolo doar datorită prezenței materiei întunecate.

Cum caută oamenii de știință materia întunecată

De la sfârșitul anilor 1980, fizicienii au efectuat experimente în instalații adânci sub pământ, în încercarea de a surprinde ciocnirea unor particule individuale de materie întunecată. În ultimii 15 ani, sensibilitatea colectivă a acestor experimente a crescut exponențial, dublându-se în medie în fiecare an. Două colaborări majore, XENON și PandaX-II, au lansat recent detectoare noi, chiar mai sensibile.

Primul dintre ei a construit cel mai mare detector de materie întunecată din lume XENON1T. Utilizează o țintă de xenon lichid de 2.000 de kilograme plasată într-un rezervor de apă înalt de 10 metri. Toate acestea sunt sub pământ, la o adâncime de 1,4 kilometri, în Laboratorul Național Gran Sasso (Italia). Instalația PandaX-II este îngropată la o adâncime de 2,4 kilometri în provincia chineză Sichuan și conține 584 de kilograme de xenon lichid.

Ambele experimente folosesc xenon deoarece este extrem de inert, ceea ce ajută la menținerea nivelului de zgomot scăzut. În plus, nucleele atomilor de xenon sunt relativ grele (conținând o medie de 131 de nucleoni pe nucleu), ceea ce oferă o țintă „mai mare” pentru particulele de materie întunecată. Dacă una dintre aceste particule se ciocnește cu nucleul unui atom de xenon, aceasta va da naștere la o fulgerare slabă, dar perceptibilă de lumină (scintilare) și formarea unei sarcini electrice. Observarea chiar și a unui număr mic de astfel de evenimente ne poate oferi date importante despre natura materiei întunecate.

Până acum, nici acestea, nici alte experimente nu au reușit să detecteze particulele de materie întunecată, dar această tăcere poate fi folosită pentru a stabili o limită superioară a probabilității de coliziuni între particulele de materie întunecată și particulele obișnuite.

Pot particulele de materie întunecată să formeze grupuri ca particulele normale de materie?

Ei pot, dar întreaga întrebare este ce densitate. Din punct de vedere al astrofizicii, galaxiile sunt obiecte dense, densitatea lor este de ordinul unui proton pe centimetru cub, iar stelele sunt obiecte dense, cu o densitate de ordinul unui gram pe centimetru cub. Dar există 24 de ordine de mărime diferențe între ele. De regulă, norii de materie întunecată au o densitate „galactică”.

Există șanse ca mulți să caute particule de materie întunecată?

Ei încearcă să surprindă interacțiunile particulelor individuale de materie întunecată cu atomii de materie obișnuită, așa cum fac cu neutrinii. Dar este foarte greu să-i prinzi și nici măcar acest lucru nu este posibil.

Telescopul CAST (CERN Axion Solar Telescope) de la CERN caută particule ipotetice - axioni, din care ar putea consta materia întunecată.

Poate că materia întunecată constă în general din așa-numitele particule „oglindă”, care în principiu pot fi observate doar prin gravitația lor. Ipoteza celui de-al doilea univers „oglindă” a fost propusă acum o jumătate de secol, este un fel de dublare a realității.

Avem observații reale doar din cosmologie.

Intervievat de Serghei Kuznetsov

Calculele oamenilor de știință au arătat că Universul este compus în proporție de 95% din materie care nu a fost încă explorată de oameni: 70% este energie întunecată, iar 25% este materie întunecată. Se presupune că primul este un fel de câmp cu energie diferită de zero, dar al doilea este format din particule care pot fi detectate și studiate.

Dar nu degeaba această substanță se numește masa ascunsă - căutarea ei durează o perioadă considerabilă și este însoțită de discuții aprinse între fizicieni. Pentru a-și aduce cercetările publicului, CERN a inițiat chiar și Ziua Materiei Întunecate, care este sărbătorită pentru prima dată astăzi, 31 octombrie.

O imagine a unui grup de galaxii. Liniile arată „contururile” materiei întunecate

Deși dovezile existenței materiei întunecate sunt destul de convingătoare, până acum nimeni nu a găsit și studiat particulele care o alcătuiesc. Fizicienii sugerează că un astfel de secret se datorează a două motive. Primul este că aceste particule au o masă prea mare (legată de energia prin formula E = mc²), astfel încât capacitățile acceleratoarelor moderne pur și simplu nu sunt suficiente pentru a „crea” o astfel de particule. Al doilea motiv este probabilitatea foarte scăzută de apariție a materiei întunecate. Poate că nu îl putem găsi tocmai pentru că interacționează extrem de slab cu corpul uman și cu particulele cunoscute nouă. Deși materia întunecată este peste tot (conform calculelor) și particulele ei trec prin noi în fiecare secundă, pur și simplu nu o simțim.

Detector de materie întunecată

"Încă nu se poate spune exact la ce se referă datele culese în laboratorul Gran Sasso. În orice caz, un grup din Italia a oferit un rezultat pozitiv, și nu o negare a ceva ce este deja o senzație. Acum semnalele găsite Și acesta este un mare stimulent pentru dezvoltarea unei varietăți de teorii, inclusiv cele dedicate creării unui model de materie întunecată.Dar chiar dacă un om de știință încearcă să explice de ce datele obținute nu se referă în niciun caz la materia întunecată, acesta poate fi încă un nou pas în înțelegerea naturii. În orice caz, rezultatul este și trebuie să continuăm munca, dar personal nu pot fi pe deplin de acord că a fost găsită materia întunecată”, comentează Konstantin Belotsky, cercetător de frunte. la Departamentul de Fizica Particulelor Elementare, Universitatea Națională de Cercetare Nucleară MEPhI.