Den 31 oktober är den mörka materiens dag. Bara om komplexet: vad är mörk materia och var man ska leta efter det. Hur forskare letar efter mörk materia
Den teoretiska konstruktionen inom fysiken, kallad Standardmodellen, beskriver växelverkan mellan alla elementarpartiklar som vetenskapen känner till. Men detta är bara 5% av substansen som finns i universum, medan de återstående 95% är av helt okänd natur. Vad är denna hypotetiska mörka materia och hur försöker forskare upptäcka den? Hayk Hakobyan, student vid Moskvas institut för fysik och teknik och anställd vid institutionen för fysik och astrofysik, berättar om detta inom ramen för ett särskilt projekt.
Standardmodellen för elementarpartiklar, som slutligen bekräftades efter upptäckten av Higgs-bosonen, beskriver de grundläggande interaktionerna (elektro-svaga och starka) mellan vanliga partiklar som vi känner till: leptoner, kvarkar och interaktionsbärare (bosoner och gluoner). Det visar sig dock att all denna enorma komplexa teori bara beskriver cirka 5-6% av all materia, medan resten inte passar in i denna modell. Observationer från de tidigaste ögonblicken av vårt universums liv visar oss att ungefär 95 % av den materia som omger oss är av helt okänd natur. Med andra ord, vi ser indirekt närvaron av denna dolda materia på grund av dess gravitationspåverkan, men hittills har det inte varit möjligt att fånga den direkt. Detta fenomen med dold massa har fått kodnamnet "mörk materia".
Modern vetenskap, särskilt kosmologi, arbetar enligt Sherlock Holmes deduktiva metod
Nu är huvudkandidaten från WISP-gruppen axionen, som uppstår i teorin om stark interaktion och har en mycket liten massa. En sådan partikel kan omvandlas till ett foton-fotonpar i höga magnetfält, vilket ger tips om hur man kan försöka upptäcka den. ADMX-experimentet använder stora kammare som skapar ett magnetfält på 80 000 gauss (det är 100 000 gånger jordens magnetfält). I teorin borde ett sådant fält stimulera axionens sönderfall till ett foton-fotonpar, som detektorerna ska fånga upp. Trots många försök har WIMPs, axioner eller sterila neutriner ännu inte upptäckts.
Således har vi rest genom ett stort antal olika hypoteser som försöker förklara den märkliga närvaron av en mörk massa, och efter att ha förkastat allt omöjligt med hjälp av observationer har vi kommit till flera möjliga hypoteser som vi redan kan arbeta med.
Ett negativt resultat inom vetenskapen är också ett resultat, eftersom det begränsar de olika parametrarna för partiklar, till exempel eliminerar det omfånget av möjliga massor. Från år till år ger fler och fler nya observationer och experiment i acceleratorer nya, strängare gränser för massan och andra parametrar för mörk materia partiklar. Om vi sålunda kastar ut alla omöjliga alternativ och minskar kretsen av sökningar, kommer vi dag för dag närmare att förstå vad 95% av materien i vårt universum består av.
MOSKVA, 31 oktober - RIA Novosti, Olga Kolentsova. Beräkningar av forskare har visat att universum till 95 % består av materia som ännu inte utforskats av människor: 70 % är mörk energi och 25 % är mörk materia. Det antas att det första är ett slags fält med icke-noll energi, men det andra består av partiklar som kan detekteras och studeras. Men det är inte för inte som detta ämne kallas dold massa - dess sökning pågår under en lång tid och åtföljs av hetsiga diskussioner bland fysiker. För att föra ut sin forskning till allmänheten initierade CERN till och med Dark Matter Day, som firas för första gången idag, den 31 oktober.
Förespråkare för förekomsten av mörk materia ger ganska tungt vägande argument, bekräftade av experimentella fakta. Dess erkännande började på 1930-talet, när den schweiziska astronomen Fritz Zwicky mätte hastigheten med vilken galaxerna i Coma Cluster rör sig runt ett gemensamt centrum. Som du vet beror rörelsehastigheten på massan. Forskarens beräkningar visade att den verkliga massan av galaxer måste vara mycket större än den som bestäms i processen för observationer med teleskop. Det visade sig att en ganska stor del av galaxerna helt enkelt inte är synliga för oss. Därför består den av materia som inte reflekterar eller absorberar ljus.
Den andra bekräftelsen på existensen av en dold massa är förändringen i ljus när det passerar genom galaxer. Faktum är att alla föremål med massa förvränger ljusstrålars rätlinjiga förlopp. Således kommer mörk materia att göra sina egna förändringar i ljusbilden (bilden av ett avlägset föremål), och den kommer att bli annorlunda än bilden som bara skulle skapas av synlig materia. Det finns tio bevis för förekomsten av mörk materia, men de två som beskrivs är de viktigaste.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Även om bevisen för förekomsten av mörk materia är ganska övertygande, har ingen hittills hittat och studerat partiklarna som utgör den. Fysiker menar att ett sådant hemlighetsmakeri beror på två skäl. Den första är att dessa partiklar har en för hög massa (relaterad till energi genom formeln E=mc² ), så kapaciteten hos moderna acceleratorer räcker helt enkelt inte till för att "skapa" en sådan partikel. Det andra skälet är den mycket låga sannolikheten för uppkomsten av mörk materia. Kanske kan vi inte hitta det just för att det interagerar extremt svagt med människokroppen och partiklar som vi känner till. Även om mörk materia finns överallt (enligt beräkningar) och dess partiklar bokstavligen rusar genom oss varje sekund, så känner vi det bara inte.
För att upptäcka mörk materia partiklar använder forskare detektorer som är placerade under jord för att minimera onödiga effekter. Det antas att mörk materia partiklar ibland fortfarande kolliderar med atomkärnor, överför en del av deras rörelsemängd till dem, slår ut elektroner och orsakar ljusblixtar. Frekvensen av sådana kollisioner beror på sannolikheten för interaktion mellan partiklar av mörk materia och kärnan, deras koncentration och relativa hastighet (med hänsyn till jordens rörelse runt solen). Men experimentella grupper, även när de upptäcker någon påverkan, förnekar att detta svar från detektorn orsakades av mörk materia. Och bara den italienska experimentgruppen DAMA, som arbetar i Gran Sassos underjordiska laboratorium, rapporterar de observerade årliga variationerna i antalet signaler, förmodligen förknippade med jordens rörelse genom den galaktiska dolda massan.
© Foto: SuperCMDS Collaboration
I detta experiment mäts antalet och energin av ljusblixtar inuti detektorn under flera år. Forskarna bevisade förekomsten av svaga (cirka 2 %) årliga fluktuationer i antalet sådana händelser.
Även om den italienska gruppen med tillförsikt försvarar tillförlitligheten av experimenten, är forskarnas åsikter om denna fråga ganska tvetydiga. Den främsta svagheten med de resultat som den italienska gruppen har erhållit är att de inte kan reproduceras. Till exempel, när gravitationsvågor upptäcktes, upptäcktes de av laboratorier runt om i världen, vilket bekräftar data som erhållits av andra grupper. När det gäller DAMA är situationen annorlunda - ingen annan i världen kan skryta med att ha samma resultat! Naturligtvis finns det en möjlighet att denna grupp har mer kraftfulla detektorer eller sina egna metoder, men denna unika egenskap hos experimentet får vissa forskare att tvivla på dess tillförlitlighet.
"Det är ännu inte möjligt att säga exakt vad data som samlats in i Gran Sasso-laboratoriet avser. I alla fall gav en grupp från Italien ett positivt resultat, och inte ett förnekande av något som redan är en sensation. Nu hittade signalerna behöver förklaras. Och detta är ett stort incitament till utvecklingen av en mängd olika teorier, inklusive de som ägnas åt skapandet av en modell av mörk materia.Men även om en vetenskapsman försöker förklara varför data som erhållits inte på något sätt relaterar till mörk materia, detta kan fortfarande vara ett nytt steg i förståelsen av naturen. I vilket fall som helst är resultatet och vi måste fortsätta arbetet, men jag kan personligen inte helt hålla med om att mörk materia har hittats för tillfället,” kommenterar Konstantin Belotsky, en ledande forskare vid Institutionen för elementarpartikelfysik, National Research Nuclear University MEPhI.
Mörk materia avger eller absorberar inte ljus, interagerar praktiskt taget inte med "vanlig" materia, forskare har ännu inte kunnat fånga en enda "mörk" partikel. Men utan det skulle det för oss bekanta universum, och vi själva, inte kunna existera. På Dark Matter Day, som firas den 31 oktober (fysiker har bestämt att det är precis rätt tillfälle att göra en semester för att hedra den mörka och svårfångade substansen), N+1 frågade Andrey Doroshkevich, chef för avdelningen för teoretisk astrofysik vid Astrospace Center vid Lebedev Physical Institute, om vad mörk materia är och varför det är så viktigt.
N+1: Hur säkra är forskare idag på att mörk materia verkligen existerar?
Andrei Doroshkevich: Det huvudsakliga beviset är observationer av fluktuationer i den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, det vill säga resultaten som WMAP och "" rymdskepp har fått under de senaste 15 åren.
De mätte störningen av temperaturen på den kosmiska mikrovågsbakgrunden, det vill säga den kosmiska mikrovågsbakgrunden, med hög noggrannhet. Dessa störningar har bevarats sedan rekombinationens era, då joniserat väte förvandlades till neutrala atomer.
Dessa mätningar visade närvaron av fluktuationer, mycket små, cirka en tiotusendels kelvin. Men när de började jämföra dessa data med teoretiska modeller fann de viktiga skillnader som inte kan förklaras på annat sätt än närvaron av mörk materia. Tack vare detta kunde de beräkna proportionerna av mörk och vanlig materia i universum med en noggrannhet på upp till en procentandel.
Materiens fördelning i universum (från vänster till höger) före och efter data från Planck-teleskopet
Forskare har gjort många försök att bli av med den osynliga och omärkliga mörka materian, teorier om modifierad gravitation, såsom MOND, har skapats som försöker förklara de observerade effekterna. Varför är modeller av mörk materia att föredra?
Situationen är mycket enkel: modern Einsteins gravitationsteori fungerar bra på jordskalor, satelliter flyger i strikt överensstämmelse med denna teori. Och den presterar mycket bra på kosmologiska skalor. Och alla moderna modeller som förändrar gravitationen kan inte förklara allt. De introducerar nya konstanter i Newtons lag, vilket gör det möjligt att förklara effekterna av närvaron av mörk materia på galaxnivå, men missar på den kosmologiska skalan.
Kan upptäckten av gravitationsvågor hjälpa här? Kanske hjälper det att förkasta några av teorierna?
Det gravitationsvågor nu har mätt är en enorm teknisk, inte vetenskaplig, framgång. Att de finns var känt för 40 år sedan när gravitationsstrålning från en binär pulsar upptäcktes (indirekt). Observationer av gravitationsvågor bekräftade återigen förekomsten av svarta hål, även om vi inte tvivlade på det tidigare, men nu har vi mer eller mindre direkta bevis här.
Effektens form, förändringar i gravitationsvågor med kraft, kan ge oss mycket användbar information, men vi måste vänta ytterligare fem till tio år tills vi har tillräckligt med data för att förfina gravitationsteorierna.
Hur forskare lärde sig om mörk materia
Den mörka materiens historia började 1933, när astronomen Fritz Zwicky studerade hastighetsfördelningen av galaxer i ett kluster beläget i stjärnbilden Coma Berenices. Han fann att galaxerna i klustret rör sig för snabbt, och om man bara tar hänsyn till den synliga materien kan klustret inte vara stabilt – galaxerna skulle helt enkelt vara utspridda åt olika håll.
I en artikel publicerad den 16 februari 1933 föreslog Zwicky att de hölls samman av en osynlig gravitationssubstans, Dunkle Materie.
Lite senare bekräftades avvikelsen mellan galaxernas "synliga" massa och parametrarna för deras rörelse av andra astronomer.
1958 föreslog den sovjetiske astrofysikern Viktor Ambartsumyan sin egen lösning på Zwickys paradox. Enligt hans åsikt innehåller galaxhopar inte något osynligt material som skulle hålla dem gravitationsmässigt. Vi observerar helt enkelt kluster som håller på att förfalla. De flesta astronomer accepterade dock inte denna förklaring, eftersom livslängden för kluster i detta fall inte skulle vara mer än en miljard år, och med tanke på att universums livstid är tio gånger längre, skulle det helt enkelt inte finnas några kluster kvar idag.
Allmänt accepterade idéer om mörk materia säger att den består av WIMPs (WIMPs), massiva partiklar som knappast interagerar med partiklar av vanlig materia. Vad kan man säga om deras egenskaper?
De har en ganska stor massa - och det är nästan allt, vi kan inte ens nämna den exakta massan. De färdas långa sträckor utan kollisioner, men täthetsstörningarna i dem avtar inte ens i relativt liten skala – och det är det enda vi behöver för modeller idag.
CMB ger oss egenskaperna hos mörk materia på stora skalor, på skalorna för galaxhopar. Men för att "sjunka" till skalan av små galaxer tvingas vi använda teoretiska modeller.
Själva existensen av små galaxer tyder på att det även på relativt små skalor fanns inhomogeniteter som uppstod strax efter Big Bang. Sådana inhomogeniteter kan blekna, jämna ut, men vi vet med säkerhet att de inte har bleknat i skalan av små galaxer. Detta tyder på att dessa partiklar av mörk materia måste ha sådana egenskaper att dessa störningar kvarstår.
Är det korrekt att säga att stjärnor bara kan bildas på grund av mörk materia?
Inte riktigt. Utan mörk materia kunde inte galaxer bildas, och stjärnor kan inte bildas utanför galaxer. Till skillnad från mörk materia är baryoner alltid varma, de interagerar med bakgrundsstrålningen. Därför kan de inte samlas till stjärnor på egen hand, gravitationen hos baryoner med stjärnmassa kan inte övervinna deras tryck.
Partiklar av mörk materia fungerar som ett osynligt cement som drar in baryoner i galaxer, och sedan börjar stjärnbildningsprocessen i dem. Det finns sex gånger mer mörk materia än baryoner, den "leder", och baryoner följer bara den.
Xenon mörk materia partikeldetektor XENON1T
Xenon100 samarbete
Finns det mycket mörk materia omkring oss?
Det finns överallt, frågan är bara hur mycket av det. Man tror att massan av mörk materia i vår galax är något mindre än 10 procent.
Men redan i närheten av galaxen finns mer mörk materia, vi kan se tecken på närvaron runt både vårt och andra stjärnsystem. Naturligtvis ser vi det tack vare baryonerna, vi observerar dem, och vi förstår att de "håller" där bara på grund av närvaron av mörk materia.
Hur forskare letar efter mörk materia
Sedan slutet av 1980-talet har fysiker genomfört experiment i anläggningar djupt under jorden i ett försök att fånga kollisionen mellan enskilda partiklar av mörk materia. Under de senaste 15 åren har den kollektiva känsligheten för dessa experiment ökat exponentiellt, i genomsnitt fördubblats varje år. Två stora samarbeten, XENON och PandaX-II, har nyligen lanserat nya, ännu känsligare detektorer.
Den första av dem byggde världens största mörkmateriedetektor XENON1T. Den använder ett 2 000 kg flytande xenonmål placerat i en 10 meter hög vattentank. Allt detta ligger under jorden på ett djup av 1,4 kilometer i Gran Sasso National Laboratory (Italien). PandaX-II-installationen är begravd på ett djup av 2,4 kilometer i den kinesiska provinsen Sichuan och innehåller 584 kilo flytande xenon.
Båda experimenten använder xenon eftersom det är extremt inert, vilket hjälper till att hålla ljudnivåerna låga. Dessutom är kärnorna av xenonatomer relativt tunga (innehåller i genomsnitt 131 nukleoner per kärna), vilket ger ett "större" mål för mörk materia partiklar. Om en av dessa partiklar kolliderar med kärnan i en xenonatom kommer detta att ge upphov till en svag men märkbar ljusblixt (scintillation) och bildandet av en elektrisk laddning. Observation av till och med ett litet antal sådana händelser kan ge oss viktig information om naturen hos mörk materia.
Hittills har varken dessa eller några andra experiment kunnat upptäcka mörk materia partiklar, men denna tystnad kan användas för att sätta en övre gräns för sannolikheten för kollisioner mellan mörk materia partiklar och vanliga partiklar.
Kan mörk materia partiklar bilda kluster som normala materia partiklar?
Det kan de, men hela frågan är vilken täthet. Ur astrofysikens synvinkel är galaxer täta föremål, deras densitet är i storleksordningen en proton per kubikcentimeter, och stjärnor är täta föremål, med en densitet i storleksordningen ett gram per kubikcentimeter. Men det skiljer 24 storleksordningar mellan dem. Som regel har mörka materiamoln en "galaktisk" densitet.
Finns det några chanser för många att söka efter mörk materia partiklar?
De försöker fånga växelverkan mellan enskilda partiklar av mörk materia och atomer av vanlig materia, som de gör med neutriner. Men det är väldigt svårt att fånga dem, och det är inte ett faktum att det ens är möjligt.
CAST-teleskopet (CERN Axion Solar Telescope) vid CERN letar efter hypotetiska partiklar - axioner, av vilka mörk materia kan bestå.
Kanske består mörk materia i allmänhet av de så kallade "spegel"-partiklarna, som i princip bara kan observeras genom sin gravitation. Hypotesen om det andra "spegeluniversumet" föreslogs för ett halvt sekel sedan, det är ett slags fördubbling av verkligheten.
Vi har bara verkliga observationer från kosmologin.
Intervjuad av Sergey Kuznetsov
Beräkningar av forskare har visat att universum till 95 % består av materia som ännu inte utforskats av människor: 70 % är mörk energi och 25 % är mörk materia. Det antas att det första är ett slags fält med icke-noll energi, men det andra består av partiklar som kan detekteras och studeras.
Men det är inte för inte som detta ämne kallas dold massa - dess sökning pågår under en lång tid och åtföljs av hetsiga diskussioner bland fysiker. För att föra ut sin forskning till allmänheten initierade CERN till och med Dark Matter Day, som firas för första gången idag, den 31 oktober.
Förespråkare för förekomsten av mörk materia ger ganska tungt vägande argument, bekräftade av experimentella fakta. Dess erkännande började på 1930-talet, när den schweiziska astronomen Fritz Zwicky mätte hastigheten med vilken galaxerna i Coma Cluster rör sig runt ett gemensamt centrum. Som du vet beror rörelsehastigheten på massan. Forskarens beräkningar visade att den verkliga massan av galaxer måste vara mycket större än den som bestäms i processen för observationer med teleskop. Det visade sig att en ganska stor del av galaxerna helt enkelt inte är synliga för oss. Därför består den av materia som inte reflekterar eller absorberar ljus.
Den andra bekräftelsen på existensen av en dold massa är förändringen i ljus när det passerar genom galaxer. Faktum är att alla föremål med massa förvränger ljusstrålars rätlinjiga förlopp. Således kommer mörk materia att göra sina egna förändringar i ljusbilden (bilden av ett avlägset föremål), och den kommer att bli annorlunda än bilden som bara skulle skapas av synlig materia. Det finns tio bevis för förekomsten av mörk materia, men de två som beskrivs är de viktigaste.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
En bild av ett kluster av galaxer. Linjerna visar "konturerna" av mörk materia
Även om bevisen för förekomsten av mörk materia är ganska övertygande, har ingen hittills hittat och studerat partiklarna som utgör den. Fysiker menar att ett sådant hemlighetsmakeri beror på två skäl. Den första är att dessa partiklar har en för hög massa (relaterad till energin genom formeln E = mc²), så kapaciteten hos moderna acceleratorer är helt enkelt inte tillräckliga för att "skapa" en sådan partikel. Det andra skälet är den mycket låga sannolikheten för uppkomsten av mörk materia. Kanske kan vi inte hitta det just för att det interagerar extremt svagt med människokroppen och partiklar som vi känner till. Även om mörk materia finns överallt (enligt beräkningar) och dess partiklar bokstavligen rusar genom oss varje sekund, så känner vi det bara inte.
För att upptäcka mörk materia partiklar använder forskare detektorer som är placerade under jord för att minimera onödiga effekter. Det antas att mörk materia partiklar ibland fortfarande kolliderar med atomkärnor, överför en del av deras rörelsemängd till dem, slår ut elektroner och orsakar ljusblixtar. Frekvensen av sådana kollisioner beror på sannolikheten för interaktion mellan partiklar av mörk materia och kärnan, deras koncentration och relativa hastighet (med hänsyn till jordens rörelse runt solen). Men experimentella grupper, även när de upptäcker någon påverkan, förnekar att detta svar från detektorn orsakades av mörk materia. Och bara den italienska experimentgruppen DAMA, som arbetar i Gran Sassos underjordiska laboratorium, rapporterar de observerade årliga variationerna i antalet signaler, förmodligen förknippade med jordens rörelse genom den galaktiska dolda massan.
Detektor för mörk materia
I detta experiment mäts antalet och energin av ljusblixtar inuti detektorn under flera år. Forskarna bevisade förekomsten av svaga (cirka 2 %) årliga fluktuationer i antalet sådana händelser.
Även om den italienska gruppen med tillförsikt försvarar tillförlitligheten av experimenten, är forskarnas åsikter om denna fråga ganska tvetydiga. Den främsta svagheten med de resultat som den italienska gruppen har erhållit är att de inte kan reproduceras. Till exempel, när gravitationsvågor upptäcktes, upptäcktes de av laboratorier runt om i världen, vilket bekräftade data som erhållits av andra grupper. När det gäller DAMA är situationen annorlunda - ingen annan i världen kan skryta med att ha samma resultat! Naturligtvis finns det en möjlighet att denna grupp har mer kraftfulla detektorer eller sina egna metoder, men denna unika egenskap hos experimentet får vissa forskare att tvivla på dess tillförlitlighet.
"Det är ännu inte möjligt att säga exakt vad data som samlats in i Gran Sasso-laboratoriet avser. I alla fall gav en grupp från Italien ett positivt resultat, och inte ett förnekande av något som redan är en sensation. Nu hittade signalerna behöver förklaras. Och detta är ett stort incitament till utvecklingen av en mängd olika teorier, inklusive de som ägnas åt skapandet av en modell av mörk materia.Men även om en vetenskapsman försöker förklara varför data som erhållits inte på något sätt relaterar till mörk materia, detta kan fortfarande vara ett nytt steg i förståelsen av naturen. I vilket fall som helst är resultatet och vi måste fortsätta arbetet, men jag kan personligen inte helt hålla med om att mörk materia har hittats," kommenterar Konstantin Belotsky, en ledande forskare vid Institutionen för elementarpartikelfysik, National Research Nuclear University MEPhI.
