Sådan søger du efter mørkt stof

Sådan søger du efter mørkt stof

Hayk Hakobyan
"Popular Mechanics" №3, 2016

"Mit gamle undersøgelsesprincip er at eliminere alle åbenbart umulige antagelser. Så hvad der er tilbage, er sandt, uanset hvor uhyggeligt det kan synes", sagde den berømte detektiv Sherlock Holmes. Det er den metode, forskerne søger mørkt stof.

Standardmodellen, der beskriver de grundlæggende interaktioner (elektromagnetiske, svage og stærke) af kendte elementære partikler (leptoner, kvarker og bosoner) er en teori, der er godt bekræftet af eksperimentet. Det beskriver dog kun ca. 5% af det eksisterende stof, mens de resterende 95% er af en helt ukendt natur. Vi ved kun, at disse 95%, kaldet den skjulte masse eller "mørk materie", er involveret i gravitationsinteraktionen med almindeligt materiale.

Men går vi i kølvandet på selve navnet? Måske er der ikke noget mørkt stof, men simpelthen arbejder tyngdekraften ikke på en sådan skala? Og hvis det er, i hvilke partikler skjuler det? Og hvordan man søger efter "Jeg ved ikke hvad"? Hertil kommer, at moderne videnskab bruger princippet formuleret af Sherlock Holmes: "Slet alt, hvad der er umuligt, og hvad der er tilbage, er svaret, uanset hvor usandsynligt det er."Felet for den skjulte masse kan forklares med et stort antal sandsynlige og usandsynlige, som passer ind i den moderne teori og hypoteserne modsiger det. Dommerne, der skærmbilleder af alle umulige valgmuligheder, er imidlertid observation og eksperiment.

Riddle of the "hidden mass"

I 1933 udforskede den amerikanske astronom Fritz Zwicky en klynge af galakser af Veronica's hår. Zwicky estimerede sin masse ved at beregne det omtrentlige antal galakser i klyngen og antallet af stjerner i galaksen og opnåede en værdi på ca. 1013 masser af solen. Han besluttede også at afprøve dette skøn på en anden måde ved at måle galaksernes hastigheder: jo højere hastighed er jo jo større gravitationsstyrken virker på galaksen, og jo større er klyngens samlede masse. Massen beregnet af Zwicki ved denne metode viste sig at være 5 × 1014 Solens masser, det vil sige 50 gange mere. En sådan uoverensstemmelse på det tidspunkt blev ikke taget for alvorligt, fordi astronomerne havde meget lidt information om interstellære støv-, gas- og dværgstjerner. Så blev det antaget, at denne ekstra masse kunne gemme sig i dem.

Hypotesen 1: Interstellært støv og gas

I 1970 studerede Vera Rubin og Kent Ford afhængigheden af ​​stjernernes hastighed på deres afstand fra centrum af Andromeda-galaksen (den såkaldte rotationskurve). Da hovedparten af ​​stjernerne er koncentreret nær galaksens centrum, er det logisk at antage, at jo længere stjernen er fra midten, desto mindre skal gravitationsstyrken virke på den, og jo mindre skal dens hastighed. Det viste sig imidlertid, at for stjerner i periferien er en sådan lov ikke tilfreds, og kurven når et plateau.

Rotationskurven for en galakse er et plot af omløbshastigheden af ​​stjerner og gas i en galakse som en funktion af afstanden til centrum. Observationer viser, at afstanden fra midten af ​​diagrammet går på et plateau

Dette betød, at hovedmassen, som påvirker stjernens rotation, ikke blot er skjult, men også fordelt til periferien eller endnu mere. Senere blev der tegnet tilsvarende kurver for forskellige galakser med præcis det samme resultat. For mange elliptiske galakser faldt disse kurver ikke kun, men også forøget. Det viser sig, at størstedelen af ​​massen (mere end 90% i gennemsnit) ikke er indeholdt i stjerner, og denne skjulte masse er fordelt langt ud over den galaktiske skiveområde i form af en sfærisk halo.

Interstellære støv- og gasskyer kan ikke længere forklare tilstedeværelsen af ​​en skjult masse: støvpartikler eller gasmolekyler på grund af interaktion med hinanden, vil friktion og stråling miste energi og gradvist strømme fra periferien til midten. Derfor skulle hypotese af gasstøv natur kasseres.

Hypotesen 2: svagt udstrålende astrofysiske genstande

Den følgende simple og indlysende hypotese foreslog, at den latente masse kunne være indesluttet i nogle astrofysiske objekter (MACHO). MAssive Compact Halo Object), som hvide, røde eller brune dværge, neutronstjerner, sorte huller eller endda massive planeter som Jupiter. På grund af deres lille størrelse og lavt lysstyrke er disse objekter ikke synlige gennem et teleskop, og muligvis er der så mange af dem, at de sikrer nærværet af denne skjulte masse.

Men hvis de ikke er synlige gennem et teleskop, hvordan kan de detekteres? Når en svag massiv genstand (MACHO) er mellem den jordbaserede observatør og en lys synlig genstand, fungerer den som en tyngdekraftobjektiv, og det observerede objekt bliver lysere. Dette fænomen kaldes gravitationsmikrolensering. Tilstedeværelsen af ​​en MACHO ville have ført til en enorm mængde mikrolensingsbegivenheder.Imidlertid viste observationer fra Hubble-teleskopet, at der er meget få sådanne hændelser, og hvis sådanne objekter eksisterer, er deres masse mindre end 20% af massen af ​​galakser, men ikke 95%.

Desuden gør observationer af den kosmiske relik baggrund det muligt at retfærdigt præcisere antallet af baryoner (protoner og neutroner), der kunne fødes i det tidlige univers i nukleosynteseperioden. De opnåede estimater tyder på, at det baryoniske stof, vi ser (stjerner, gas, støvskyder) er en bcirkaMest af alt baryonisk stof i vores univers. Derfor kan den latente masse ikke bestå af baryoner.

Hypotesen 3: Modificeret tyngdekraft

Og hvad hvis der slet ikke er skjult masse? Dette er helt muligt, hvis for eksempel tyngdekraften, som vi anvender på sådanne skalaer, er ukorrekt.

Jo større gravitationskraften virker på en genstand (i dette tilfælde en galakse eller en enkelt stjerne), jo større er accelerationen (den anden Newtons lov kendt for alle siden skolen) og dermed hastigheden, da centripetal accelerationen er proportional med kvadratet af hastigheden. Og hvis du korrigerer Newtons lov? I 1983 foreslog den israelske fysiker Mordechai Milgrom MOND-hypotesen (MOdified Newtonian Dynamics), hvor Newtons lov blev noget korrigeret for sagen, når accelerationerne er tilstrækkeligt små (10−8 cm / s2). Denne fremgangsmåde forklarede godt rotationskurverne opnået af Rubin og Ford, og de stigende rotationskurver for elliptiske galakser. Men i klynger, hvor accelerationen af ​​galakser er meget større end accelerationen af ​​de enkelte stjerner, gjorde MOND ingen korrigeringer for mørkt stof, og spørgsmålet forblev åbent.

Der var andre forsøg på at ændre tyngdekraften. Nu er der en bred klasse af sådanne teorier, kaldet parameteriseret post-newtonsk formalisme. Hver enkelt teori beskrives af sit eget sæt af ti standardparametre, der bestemmer afvigelsen fra "almindelig" tyngdekraft. Nogle af disse teorier forklarer virkelig problemet med skjult masse, men der opstår andre problemer, såsom massive fotoner eller kromaticitet af en gravitationslins (afhængigheden af ​​vinkel af lysafvigelse på frekvensen), som ikke observeres. Under alle omstændigheder er ingen af ​​disse teorier endnu bekræftet af observationer.

Således forbliver kun en mulig, om end eksotisk, af de mange hypoteser, der ikke modsiger eksperimentet: mørk materie er en slags ikke-barionisk natur.Der er mange teoretiske kandidater, men de er opdelt i to hovedgrupper – koldt og varmt mørkt stof.

Mørkstofkandidatpartikler. I øjeblikket afvises mange mørke materie hypoteser (dim massive objekter, en modificeret tyngdepunkt) ved observationer, og svagt interaktive partikler er de vigtigste kandidater.

Hypotesen 4: varmt mørkt stof

Varmt mørkt materiale er lette partikler, der bevæger sig ved hastigheder tæt på lysets hastighed. Den mest oplagte kandidat til denne rolle er den mest almindelige neutrino. Disse partikler har meget små masser (tidligere blev det antaget, at massen er nul), fødes i dybden af ​​stjerner og stjernedannende regioner under forskellige termonukleære processer og næsten ikke interagerer med baryonsubstansen. Men i betragtning af antallet af neutrinos, som vi har i universet, for at forklare med deres hjælp mørke materie er det nødvendigt, at deres masse er omkring 10 eV. Men de eksperimentelle data viser, at neutrino-massen ikke overstiger fraktionerne af en elektron-volt, hvilket er hundrede gange mindre, så denne mulighed synes at forsvinde.En anden sandsynlig kandidat til titlen mørk materie er den såkaldte sterile neutrino, en hypotetisk massiv fjerde neutrino-variant, der ikke deltager i svag interaktion. Imidlertid er sådanne partikler i forsøg endnu ikke blevet opdaget, og deres eksistens er stadig i spørgsmål.

Kosmologiske observationer fra de senere år viser, at varmt mørkt stof (hvis det findes) ikke kan overstige 10% af alt mørkt stof. Faktum er, at forskellige typer af mørke stoffer tyder på forskellige scenarier for dannelsen af ​​galakser. I scenen med varmt mørkt materiale (top-down, fra top til bund) som et resultat af evolution er de store områder fyldt med materiel først dannet, som derefter falder sammen i separate små klynger og til sidst bliver til galakser. I scenariet med koldt mørkt materiale (bottom-up, bottom-up), først dannes små dværggalakser og klynger, der danner større strukturer. Observationer og computersimuleringer viser, at netop dette scenario er realiseret i vores univers, hvilket indikerer den tilsyneladende dominans af koldt mørkt materiale.

Hypotesen 5: Koldt mørkt stof

Hypotesen om koldt mørkt stof betragtes i dag som det mest sandsynlige. De hypotetiske partikler af koldt mørkt materiale er langsomme (ikke-relativistiske), de virker meget svagt med hinanden og med almindeligt materiale og udsender ikke fotoner. De er opdelt i svagt interaktive massive partikler (WIMP – svagt interaktive massive partikler) og svagt interagerende lette partikler (WISP – svagt interaktive slanke partikler).

WIMP er dybest set partikler fra teorien om supersymmetri (supersymmetriske partnere af almindelige partikler af standardmodellen) med masser større end et par kiloelectronvolts, såsom photino (photon superpartner), gravitino (hypotetisk graviton superpartner) osv. Den bedste kandidat til titlen mørk materiel partikel WIMP forskere anser nu neutralinoser for at være kvantemængden "blanding" af Z-boson, foton og Higgs boson superpartners.

Wimpy i xenon

WIMP-søgningen er baseret på, at selvom de er meget svage, interagerer de stadig med almindeligt materiale.

Når der kollideres med kernevæskens kerner i detektoren, kan fotoner udsendes (scintillation), som kan registreres ved hjælp af fotomultiplikatorer. Derudover kan Wimps ionisere atomerne i arbejdsmediet, som også kan detekteres.Disse to metoder kombineres sædvanligvis med at udrydde støj – interaktioner med andre partikler, kosmiske stråler mv. – og kun fremhæve begivenheder, der minder om kollisioner med partikler af mørkt materiale. Da arbejdsvæsken sædvanligvis anvendes flydende xenon. Et forsøg på at opdage svagt interaktive massive partikler (WIMP) i LUX-eksperimentet med en pulje fyldt med 400 kg flydende xenon var ikke vellykket, men nu udarbejdes et nyt DARWIN-eksperiment.

Det vil bruge 25 tons xenon til at opdage WIMP.

Hovedkandidaten fra WISP-gruppen er en aksion, der opstår i teorien om stærk interaktion og har en meget lille masse. Denne meget lette (millionths af en elektronvolt) stabil og elektrisk neutralt partikel kan i meget stærke magnetfelter blive til et fotonfotonpar, hvilket giver et antydning af, hvordan du kan forsøge at opdage det i eksperimentet.

Overse hindringer

I den berømte film beskrev "Wizards" en opskrift på at passere gennem væggen: "For at se målet, at tro på dig selv og ikke bemærke hindringerne"

Ifølge en lignende ordning er det planlagt at lede efter en aksion – en let uudladet partikel forudsagt inden for rammerne af kvantekromodynamik.Axion interagerer svagt med baryonsubstansen, og forskerne placerer derfor deres største håb på dets adfærd i meget stærke magnetfelter. Hvis laserstrålen er rettet mod en uigennemtrængelig væg, hvor et meget kraftigt magnetfelt (tes tesla) er skabt ved hjælp af superledende magneter, kan en foton i dette felt blive til en aksion, der vil passere gennem denne væg bogstaveligt "uden at bemærke det" og så igen blive til en foton. Det er klart, at sådanne hændelser sjældent opstår, men de kan detekteres ved hjælp af følsomme detektorer.

I 2007 startede et treårigt forsøg på DESY German Accelerator Laboratory. Enhver let partikel søgning, ALPS-I og ALPS-IIa-eksperimentet blev lanceret for tre år siden, hvis fortsættelse (ALPS-IIc) er planlagt i de kommende år. Eksperiment ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) og dens nuværende fortsættelse af ADMX-HF (Høj frekvens) Center for eksperimentel kernefysik og astrofysik (CENPA) ved University of Washington bruger også det stærke magnetfelt i en superledende magnet, hvor aksioner skal omdannes til fotoner.

På trods af adskillige forsøg var det imidlertid ikke muligt at registrere WIMP'er, aksioner eller sterile neutriner.Et negativt resultat i videnskab er imidlertid også et vigtigt resultat, da det tillader filtrering af visse parametre af partikler, for eksempel for at begrænse rækkevidden af ​​mulige masser. Fra år til år giver nyere og nyere observationer og eksperimenter i acceleratorer nye, strengere restriktioner for masse og andre parametre af mørke stofpartikler. Således har vi kastet alle de umulige muligheder og indsnævring af søgekredsen tættere på at forstå, hvad 95% af materien i vores univers består af.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: