31. oktober je dan temne snovi. Samo o kompleksu: kaj je temna snov in kje jo iskati. Kako znanstveniki iščejo temno snov
Teoretični konstrukt v fiziki, imenovan standardni model, opisuje interakcije vseh osnovnih delcev, ki jih znanost pozna. Toda to je le 5% snovi, ki obstaja v vesolju, medtem ko je preostalih 95% popolnoma neznane narave. Kaj je ta hipotetična temna snov in kako jo znanstveniki poskušajo odkriti? O tem v okviru posebnega projekta govori Hayk Hakobyan, študent Moskovskega inštituta za fiziko in tehnologijo ter uslužbenec oddelka za fiziko in astrofiziko.
Standardni model osnovnih delcev, dokončno potrjen po odkritju Higgsovega bozona, opisuje temeljne interakcije (elektrošibke in močne) nam znanih običajnih delcev: leptonov, kvarkov in nosilcev interakcij (bozonov in gluonov). Vendar se izkaže, da vsa ta ogromna kompleksna teorija opisuje le približno 5-6% vse snovi, medtem ko ostalo ne sodi v ta model. Opazovanja iz najzgodnejših trenutkov življenja našega vesolja nam kažejo, da je približno 95 % snovi, ki nas obdaja, popolnoma neznane narave. Z drugimi besedami, posredno vidimo prisotnost te skrite snovi zaradi njenega gravitacijskega vpliva, vendar je doslej ni bilo mogoče neposredno ujeti. Ta pojav skrite mase je dobil kodno ime "temna snov".
Sodobna znanost, predvsem kozmologija, deluje po deduktivni metodi Sherlocka Holmesa
Zdaj je glavni kandidat iz skupine WISP aksion, ki se pojavi v teoriji močne interakcije in ima zelo majhna masa. Tak delec se je sposoben transformirati v foton-fotonski par v visokih magnetnih poljih, kar daje namig, kako ga lahko poskušamo zaznati. V eksperimentu ADMX se uporabljajo velike komore, kjer se ustvari magnetno polje 80.000 gausov (to je 100.000-krat več magnetno polje Zemlja). V teoriji naj bi tako polje spodbudilo razpad aksiona v par foton-foton, ki naj bi ga detektorji ujeli. Kljub številnim poskusom WIMP-ji, aksioni ali sterilni nevtrini še niso bili odkriti.
Tako smo potovali skozi velik znesek različne hipoteze, ki so skušale razložiti nenavadno prisotnost skrite mase, in ko so s pomočjo opazovanj zavrgli vse nemogoče, so prišli do več možnih hipotez, s katerimi je že mogoče delati.
Negativen rezultat v znanosti je tudi rezultat, saj omejuje različne parametre delcev, na primer izniči obseg možnih mas. Iz leta v leto vedno več novih opazovanj in poskusov v pospeševalnikih daje nove, strožje omejitve mase in drugih parametrov delcev temne snovi. Tako zavržemo vse nemogoče možnosti in zožimo krog iskanj, iz dneva v dan smo bližje razumevanju, iz česa je sestavljeno 95% materije v našem vesolju.
MOSKVA, 31. oktober - RIA Novosti, Olga Kolentsova. Izračuni znanstvenikov so pokazali, da je vesolje 95 % sestavljeno iz snovi, ki jih ljudje še niso raziskali: 70 % je temna energija, 25 % pa temna snov. Predpostavlja se, da je prvo nekakšno polje z neničelno energijo, drugo pa sestavljajo delci, ki jih je mogoče zaznati in preučevati. Toda ni zaman, da se ta snov imenuje skrita masa - njeno iskanje traja precej časa in ga spremljajo burne razprave med fiziki. Da bi svoje raziskave približali javnosti, je CERN celo uvedel dan temne snovi, ki ga prvič praznujemo danes, 31. oktobra.
Zagovorniki obstoja temne snovi dajejo precej tehtne argumente, ki jih potrjujejo eksperimentalna dejstva. Njeno prepoznavanje se je začelo v tridesetih letih 20. stoletja, ko je švicarski astronom Fritz Zwicky izmeril hitrost, s katero se galaksije kopice Coma gibljejo okoli skupnega središča. Kot veste, je hitrost gibanja odvisna od mase. Izračuni znanstvenika so pokazali, da mora biti prava masa galaksij veliko večja od tiste, ki je bila določena v procesu opazovanja s teleskopi. Izkazalo se je, da nam precej velik del galaksij preprosto ni viden. Zato je sestavljen iz snovi, ki ne odbija in ne absorbira svetlobe.
Druga potrditev obstoja skrite mase je sprememba svetlobe pri prehajanju skozi galaksije. Dejstvo je, da vsak predmet z maso izkrivlja pravokotni potek svetlobnih žarkov. Tako bo temna snov naredila svoje spremembe v svetlobni sliki (podobi oddaljenega predmeta) in postala drugačna od slike, ki bi jo ustvarila le vidna snov. Obstaja deset dokazov za obstoj temne snovi, vendar sta opisana dva glavna.
© 2012 Mesečna obvestila avtorjev Kraljevega astronomskega društva, 2012 RAS
© 2012 Mesečna obvestila avtorjev Kraljevega astronomskega društva, 2012 RAS
Čeprav so dokazi o obstoju temne snovi precej prepričljivi, do zdaj še nihče ni našel in proučil delcev, ki jo sestavljajo. Fiziki menijo, da je taka tajnost posledica dveh razlogov. Prvi je ta, da imajo ti delci preveliko maso (povezano z energijo preko formule E=mc² ), zato zmogljivosti sodobnih pospeševalnikov enostavno ne zadoščajo za "ustvaritev" takega delca. Drugi razlog je zelo majhna verjetnost pojava temne snovi. Morda ga ne moremo najti ravno zato, ker zelo slabo sodeluje s človeškim telesom in delci, ki jih poznamo. Čeprav je temna snov (po izračunih) povsod in njeni delci vsako sekundo dobesedno drvijo skozi nas, je preprosto ne čutimo.
Za odkrivanje delcev temne snovi znanstveniki uporabljajo detektorje, ki se nahajajo pod zemljo, da zmanjšajo nepotrebne vplive. Predpostavlja se, da občasno delci temne snovi še vedno trčijo ob atomska jedra, jim prenesejo del zagona, izbijejo elektrone in povzročijo svetlobne bliske. Pogostost takšnih trkov je odvisna od verjetnosti interakcije delcev temne snovi z jedrom, njihove koncentracije in relativne hitrosti (ob upoštevanju gibanja Zemlje okoli Sonca). Toda eksperimentalne skupine, tudi ko zaznajo kakšen udarec, zanikajo, da je ta odziv detektorja povzročila temna snov. In samo italijanska eksperimentalna skupina DAMA, ki dela v podzemnem laboratoriju Gran Sasso, poroča o opaženih letnih nihanjih v hitrosti štetja signalov, ki so verjetno povezani z gibanjem Zemlje skozi galaktično skrito maso.
© Foto: SuperCMDS Collaboration
V tem poskusu se število in energija svetlobnih bliskov znotraj detektorja meri več let. Raziskovalci so dokazali prisotnost šibkih (približno 2%) letnih nihanj v stopnji štetja takih dogodkov.
Čeprav italijanska skupina samozavestno zagovarja zanesljivost poskusov, so mnenja znanstvenikov o tej zadevi precej dvoumna. Glavna šibka točka rezultatov italijanske skupine je njihova neponovljivost. Na primer, ko so bili odkriti gravitacijski valovi, so jih zaznali laboratoriji po vsem svetu in s tem potrdili podatke, ki so jih pridobile druge skupine. V primeru DAMA je situacija drugačna – nihče drug na svetu se ne more pohvaliti z enakimi rezultati! Seveda obstaja možnost, da ima ta skupina zmogljivejše detektorje ali lastne metode, a zaradi te edinstvenosti eksperimenta nekateri raziskovalci dvomijo v njegovo zanesljivost.
"Ni še mogoče natančno reči, na kaj se nanašajo podatki, zbrani v laboratoriju Gran Sasso. Vsekakor je skupina iz Italije zagotovila pozitiven rezultat in ne zanikanje nečesa, kar je že senzacija. Zdaj najdeni signali In to je velika spodbuda za razvoj različnih teorij, vključno s tistimi, ki so namenjene ustvarjanju modela temne snovi. Toda tudi če znanstvenik poskuša razložiti, zakaj se pridobljeni podatki nikakor ne nanašajo na temna snov, je to še vedno lahko nov korak v razumevanju Narave. V vsakem primeru je rezultat in moramo nadaljevati z delom, vendar se osebno ne morem povsem strinjati, da je temna snov trenutno najdena,« komentira Konstantin Belotsky, vodilni raziskovalec na Oddelku za fiziko osnovnih delcev Nacionalne raziskovalne jedrske univerze MEPhI.
Temna snov ne oddaja in ne absorbira svetlobe, praktično ne deluje z "navadno" snovjo, znanstvenikom še ni uspelo ujeti niti enega "temnega" delca. Toda brez tega vesolje, ki ga poznamo, in mi sami ne bi mogli obstajati. Na dan temne snovi, ki ga praznujemo 31. oktobra (fiziki so se odločili, da je ravno pravi čas, da priredijo praznik v čast temni in izmuzljivi snovi), N+1 Andreja Doroškeviča, vodjo Oddelka za teoretično astrofiziko Astrovesoljskega centra Fizičnega inštituta Lebedev, vprašal o tem, kaj je temna snov in zakaj je tako pomembna.
N+1: Kako prepričani so danes znanstveniki, da temna snov res obstaja?
Andrej Doroškevič: Glavni dokaz so opazovanja nihanj kozmičnega mikrovalovnega sevanja ozadja, torej rezultati, ki sta jih WMAP in vesoljska plovila "" prejela v zadnjih 15 letih.
Z veliko natančnostjo so izmerili motnjo temperature kozmičnega mikrovalovnega ozadja, torej kozmičnega mikrovalovnega ozadja. Te motnje so se ohranile od obdobja rekombinacije, ko se je ioniziran vodik spremenil v nevtralne atome.
Te meritve so pokazale prisotnost nihanj, zelo majhnih, okoli desettisočinke kelvina. A ko so te podatke začeli primerjati s teoretičnimi modeli, so ugotovili pomembne razlike, ki jih ni mogoče pojasniti drugače kot s prisotnostjo temne snovi. Zahvaljujoč temu so lahko izračunali deleže temne in navadne snovi v vesolju z natančnostjo do odstotka.
Porazdelitev snovi v vesolju (od leve proti desni) pred in po podatkih teleskopa Planck
Znanstveniki so se velikokrat poskušali znebiti nevidne in neopazne temne snovi, nastale so teorije modificirane gravitacije, kot je MOND, ki skuša pojasniti opažene učinke. Zakaj so modeli temne snovi boljši?
Situacija je zelo preprosta: sodobna Einsteinova teorija gravitacije dobro deluje na zemeljskih lestvicah, sateliti letijo v strogem skladu s to teorijo. In zelo dobro deluje na kozmoloških lestvicah. In vsi sodobni modeli, ki spreminjajo gravitacijo, ne morejo pojasniti vsega. V Newtonov zakon uvajajo nove konstante, ki omogočajo razlago učinkov prisotnosti temne snovi na ravni galaksij, zgrešijo pa na kozmološki lestvici.
Bi lahko odkritje gravitacijskih valov tu pomagalo? Morda bo pomagalo, če bomo nekatere teorije zavrgli?
Kar so zdaj izmerili gravitacijski valovi, je velik tehnični, ne znanstveni uspeh. Da obstajajo, je bilo znano že pred 40 leti, ko so (posredno) odkrili gravitacijsko sevanje binarnega pulzarja. Opazovanja gravitacijskih valov so ponovno potrdila obstoj črnih lukenj, čeprav prej o tem nismo dvomili, zdaj pa imamo tu bolj ali manj neposredne dokaze.
Oblika učinka, spreminjanje gravitacijskih valov z močjo, nam lahko da zelo koristne informacije, vendar moramo počakati še pet do deset let, dokler ne bomo imeli dovolj podatkov za izpopolnitev teorij o gravitaciji.
Kako so znanstveniki spoznali temno snov
Zgodovina temne snovi se je začela leta 1933, ko je astronom Fritz Zwicky preučeval porazdelitev hitrosti galaksij v jati v ozvezdju Berenikine kope. Ugotovil je, da se galaksije v jati premikajo prehitro, in če upoštevamo le vidno snov, jata ne more biti stabilna – galaksije bi bile preprosto razpršene v različne smeri.
V članku, objavljenem 16. februarja 1933, je Zwicky predlagal, da jih drži skupaj nevidna gravitacijska snov, Dunkle Materie.
Malo kasneje so neskladje med "vidno" maso galaksij in parametri njihovega gibanja potrdili drugi astronomi.
Leta 1958 je sovjetski astrofizik Viktor Ambarcumjan predlagal svojo rešitev Zwickyjevega paradoksa. Po njegovem mnenju jate galaksij ne vsebujejo nobene nevidne snovi, ki bi jih gravitacijsko držala. Preprosto opazujemo grozde v procesu razpadanja. Vendar pa večina astronomov ni sprejela te razlage, saj v tem primeru življenjska doba kopic ne bi bila daljša od ene milijarde let, in glede na to, da je življenjska doba vesolja desetkrat daljša, kopic do danes preprosto ne bi bilo več.
Splošno sprejete predstave o temni snovi pravijo, da je sestavljena iz WIMP-jev (WIMP), masivnih delcev, ki komaj sodelujejo z delci navadne snovi. Kaj lahko rečemo o njihovih lastnostih?
Imajo precej veliko maso - in to je skoraj vse, natančne mase niti ne moremo poimenovati. Prepotujejo velike razdalje brez trkov, vendar motnje gostote v njih ne razpadejo niti na razmeroma majhnih merilih - in to je edino, kar danes potrebujemo za modele.
CMB nam daje značilnosti temne snovi na velikih lestvicah, na lestvicah jat galaksij. A da bi se »spustili« na merilo majhnih galaksij, smo prisiljeni uporabiti teoretične modele.
Že sam obstoj majhnih galaksij nakazuje, da so tudi v razmeroma majhnem obsegu obstajale nepravilnosti, ki so se pojavile kmalu po veliki pok. Takšne nehomogenosti lahko zbledijo, se zgladijo, vendar zagotovo vemo, da v merilu majhnih galaksij niso zbledele. To nakazuje, da morajo imeti ti delci temne snovi takšne lastnosti, da te motnje vztrajajo.
Ali je pravilno reči, da so lahko zvezde nastale samo zaradi temne snovi?
res ne. Brez temne snovi ne bi mogle nastati galaksije in zvezde ne bi mogle nastati zunaj galaksij. Za razliko od temne snovi so barioni vedno vroči, interagirajo s sevanjem ozadja. Zato se ne morejo sami sestaviti v zvezde, gravitacija barionov z zvezdno maso ne more premagati njihovega pritiska.
Delci temne snovi delujejo kot nevidni cement, ki potegne barione v galaksije, nato pa se v njih začne proces nastajanja zvezd. Temne snovi je šestkrat več kot barionov, ta »vodi«, barioni pa ji samo sledijo.
Ksenonski detektor delcev temne snovi XENON1T
Sodelovanje Xenon100
Je okoli nas veliko temne snovi?
Je povsod, vprašanje je le, koliko je. Menijo, da je v naši galaksiji masa temne snovi nekaj manj kot 10 odstotkov.
Toda že v bližini Galaksije je več temne snovi, lahko vidimo znake prisotnosti tako okoli našega kot drugih zvezdnih sistemov. Seveda ga vidimo po zaslugi barionov, jih opazujemo in razumemo, da tam »držijo« samo zaradi prisotnosti temne snovi.
Kako znanstveniki iščejo temno snov
Od poznih osemdesetih let prejšnjega stoletja so fiziki izvajali poskuse v objektih globoko pod zemljo, da bi ujeli trk posameznih delcev temne snovi. V zadnjih 15 letih je skupna občutljivost teh poskusov eksponentno narasla in se vsako leto v povprečju podvojila. Dva velika sodelovanja, XENON in PandaX-II, sta nedavno lansirala nove, še bolj občutljive detektorje.
Prvi med njimi je zgradil največji detektor temne snovi na svetu XENON1T. Uporablja 2000-kilogramsko tarčo s tekočim ksenonom, postavljeno v 10 metrov visok rezervoar za vodo. Vse to je pod zemljo na globini 1,4 kilometra v Nacionalnem laboratoriju Gran Sasso (Italija). Namestitev PandaX-II je zakopana na globini 2,4 kilometra v kitajski provinci Sečuan in vsebuje 584 kilogramov tekočega ksenona.
Oba poskusa uporabljata ksenon, ker je izjemno inerten, kar pomaga ohranjati nizko raven hrupa. Poleg tega so jedra atomov ksenona razmeroma težka (v povprečju vsebujejo 131 nukleonov na jedro), kar zagotavlja "večjo" tarčo za delce temne snovi. Če eden od teh delcev trči v jedro atoma ksenona, bo to povzročilo šibak, a zaznaven blisk svetlobe (scintilacijo) in nastanek električnega naboja. Opazovanje že majhnega števila takih dogodkov nam lahko da pomembne podatke o naravi temne snovi.
Doslej niti s temi niti s kakšnimi drugimi poskusi še ni bilo mogoče zaznati delcev temne snovi, a to tišino lahko uporabimo za določitev zgornje meje verjetnosti trkov med delci temne snovi in navadnimi delci.
Ali lahko delci temne snovi tvorijo grozde kot delci običajne snovi?
Lahko, a celotno vprašanje je, kakšna gostota. Z vidika astrofizike so galaksije gosti objekti, njihova gostota je reda enega protona na kubični centimeter, zvezde pa so gosti objekti, z gostoto reda grama na kubični centimeter. Toda med njima je 24 velikosti velikosti razlike. Oblaki temne snovi imajo praviloma "galaktično" gostoto.
Ali obstajajo možnosti, da bi mnogi iskali delce temne snovi?
Poskušajo ujeti interakcije posameznih delcev temne snovi z atomi navadne snovi, kot to počnejo z nevtrini. Vendar jih je zelo težko ujeti in ni dejstvo, da je to sploh mogoče.
Teleskop CAST (CERN Axion Solar Telescope) v CERN-u išče hipotetične delce – aksione, iz katerih bi lahko bila sestavljena temna snov.
Morda je temna snov na splošno sestavljena iz tako imenovanih "zrcalnih" delcev, ki jih načeloma lahko opazujemo le z njihovo gravitacijo. Hipoteza o drugem "zrcalnem" vesolju je bila predlagana pred pol stoletja, gre za nekakšno podvajanje resničnosti.
Resnična opažanja imamo samo iz kozmologije.
Pogovarjal se je Sergey Kuznetsov
Izračuni znanstvenikov so pokazali, da je vesolje 95 % sestavljeno iz snovi, ki jih ljudje še niso raziskali: 70 % je temna energija, 25 % pa temna snov. Predpostavlja se, da je prvo nekakšno polje z neničelno energijo, drugo pa sestavljajo delci, ki jih je mogoče zaznati in preučevati.
Toda ni zaman, da se ta snov imenuje skrita masa - njeno iskanje traja precej časa in ga spremljajo burne razprave med fiziki. Da bi svoje raziskave približali javnosti, je CERN celo uvedel dan temne snovi, ki ga prvič praznujemo danes, 31. oktobra.
Zagovorniki obstoja temne snovi dajejo precej tehtne argumente, ki jih potrjujejo eksperimentalna dejstva. Njeno prepoznavanje se je začelo v tridesetih letih 20. stoletja, ko je švicarski astronom Fritz Zwicky izmeril hitrost, s katero se galaksije kopice Coma gibljejo okoli skupnega središča. Kot veste, je hitrost gibanja odvisna od mase. Izračuni znanstvenika so pokazali, da mora biti prava masa galaksij veliko večja od tiste, ki je bila določena v procesu opazovanja s teleskopi. Izkazalo se je, da nam precej velik del galaksij preprosto ni viden. Zato je sestavljen iz snovi, ki ne odbija in ne absorbira svetlobe.
Druga potrditev obstoja skrite mase je sprememba svetlobe pri prehajanju skozi galaksije. Dejstvo je, da vsak predmet z maso izkrivlja pravokotni potek svetlobnih žarkov. Tako bo temna snov naredila svoje spremembe v svetlobni sliki (podobi oddaljenega predmeta) in postala drugačna od slike, ki bi jo ustvarila le vidna snov. Obstaja deset dokazov za obstoj temne snovi, vendar sta opisana dva glavna.
© 2012 Mesečna obvestila avtorjev Kraljevega astronomskega društva, 2012 RAS
Slika jate galaksij. Črte prikazujejo "obrise" temne snovi
Čeprav so dokazi o obstoju temne snovi precej prepričljivi, do zdaj še nihče ni našel in proučil delcev, ki jo sestavljajo. Fiziki menijo, da je taka tajnost posledica dveh razlogov. Prvi je ta, da imajo ti delci preveliko maso (z energijo povezano s formulo E = mc²), zato zmogljivosti sodobnih pospeševalnikov enostavno ne zadoščajo za "ustvaritev" takšnega delca. Drugi razlog je zelo majhna verjetnost pojava temne snovi. Morda ga ne moremo najti ravno zato, ker zelo slabo sodeluje s človeškim telesom in delci, ki jih poznamo. Čeprav je temna snov (po izračunih) povsod in njeni delci vsako sekundo dobesedno drvijo skozi nas, je preprosto ne čutimo.
Za odkrivanje delcev temne snovi znanstveniki uporabljajo detektorje, ki se nahajajo pod zemljo, da zmanjšajo nepotrebne vplive. Predpostavlja se, da občasno delci temne snovi še vedno trčijo ob atomska jedra, jim prenesejo del zagona, izbijejo elektrone in povzročijo svetlobne bliske. Pogostost takšnih trkov je odvisna od verjetnosti interakcije delcev temne snovi z jedrom, njihove koncentracije in relativne hitrosti (ob upoštevanju gibanja Zemlje okoli Sonca). Toda eksperimentalne skupine, tudi ko zaznajo kakšen udarec, zanikajo, da je ta odziv detektorja povzročila temna snov. In samo italijanska eksperimentalna skupina DAMA, ki dela v podzemnem laboratoriju Gran Sasso, poroča o opaženih letnih nihanjih v hitrosti štetja signalov, ki so verjetno povezani z gibanjem Zemlje skozi galaktično skrito maso.
Detektor temne snovi
V tem poskusu se število in energija svetlobnih bliskov znotraj detektorja meri več let. Raziskovalci so dokazali prisotnost šibkih (približno 2%) letnih nihanj v stopnji štetja takih dogodkov.
Čeprav italijanska skupina samozavestno zagovarja zanesljivost poskusov, so mnenja znanstvenikov o tej zadevi precej dvoumna. Glavna šibka točka rezultatov italijanske skupine je njihova neponovljivost. Na primer, ko so bili odkriti gravitacijski valovi, so jih zaznali laboratoriji po vsem svetu in s tem potrdili podatke, ki so jih pridobile druge skupine. V primeru DAMA je situacija drugačna – nihče drug na svetu se ne more pohvaliti z enakimi rezultati! Seveda obstaja možnost, da ima ta skupina zmogljivejše detektorje ali lastne metode, a zaradi te edinstvenosti eksperimenta nekateri raziskovalci dvomijo v njegovo zanesljivost.
"Ni še mogoče natančno reči, na kaj se nanašajo podatki, zbrani v laboratoriju Gran Sasso. Vsekakor je skupina iz Italije zagotovila pozitiven rezultat in ne zanikanje nečesa, kar je že senzacija. Zdaj najdeni signali In to je velika spodbuda za razvoj različnih teorij, vključno s tistimi, ki so namenjene ustvarjanju modela temne snovi. Toda tudi če znanstvenik poskuša razložiti, zakaj se pridobljeni podatki nikakor ne nanašajo na temna snov je to še vedno lahko nov korak v razumevanju narave. Vsekakor je rezultat in moramo nadaljevati delo, vendar se osebno ne morem popolnoma strinjati, da je bila temna snov najdena,« komentira Konstantin Belotsky, vodilni raziskovalec na Oddelku za fiziko osnovnih delcev Nacionalne raziskovalne jedrske univerze MEPhI.
