Pimeän aineen syntyminen
Joskus näyttää siltä, että itse pimeä asia kostaa tutkijoille tarkkailemattomuudesta, jolla sen löytö tapasi yli 80 vuotta sitten. Sitten, vuonna 1933, sveitsiläistä alkuperää oleva amerikkalainen tähtitieteilijä Fritz Zwicky havaitsi kuusisataa galaksia Coma-klusterissa, joka sijaitsee 300 miljoonan valovuoden päässä Linnunradasta, ja huomasi, että tämän klusterin massa, määritetty galaksien liikkumisen nopeuden perusteella, on 50 kertaa suurempi kuin massa lasketaan estimoimalla tähtiä.
Koska hänellä ei ollut mitään aavistustakaan siitä, mikä tämä massaero on, hän antoi sille nyt virallisen määritelmän - tumma aine.
Hyvin kauan hyvin harvat ihmiset olivat kiinnostuneita tummasta aineesta. Tähtitieteilijät uskoivat piilotetun massaongelman ratkaistavan itsestään, kun täydellisempiä tietoja kosmisesta kaasusta ja hyvin heikoista tähtiistä voitaisiin kerätä. Tilanne alkoi muuttua vasta sen jälkeen, kun amerikkalaiset tähtitieteilijät Vera Rubin ja Kent Ford julkaisivat tähtien ja kaasupilvien nopeuden mittaustulokset suuressa spiraal galaksissa M31 - Andromedan nebulassa vuonna 1970. Kaikkia odotuksia vastaan osoittautui, että kaukana keskustasta nämä nopeudet ovat suunnilleen vakioita, mikä on ristiriidassa Newtonin mekaniikan kanssa ja sai selityksen vain olettaen, että galaksia ympäröi suuri määrä näkymätöntä massaa.
Kun kohtaat ilmiön, josta ei tunneta mitään, sille voidaan lukea suuri joukko selityksiä, ja jää vain lajitella ne peräkkäin hylkäämällä hyödytön ja keksimällä uusia. Ei myöskään ole totta, että kaikkien näiden selitysten se olisi oikein. Perifeeristen tähtien epäasianmukainen käyttäytyminen voitaisiin selittää liikuttamalla kahteen suuntaan - korjaamalla hieman Newtonin lakeja tai tunnustamalla, että maailmassa on ainetta, joka on erilainen kuin meidän, jota emme näe, koska partikkelit, joista se koostuu, eivät osallistu sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen, sitten ne eivät säteile valoa eivätkä absorboi sitä, vuorovaikutuksessa maailman kanssa vain painovoiman kautta.
Oliko Newton väärässä?
Ensimmäinen suunta, ts. Newtonin vastainen korjaus, kehittyi melko hitaasti. Totta, israelilainen teoreetikko Mordechai Milgrom loi vuonna 1983 ns. Modifioidun Newtonin mekaniikan, jossa pienet kiihtyvyydet reagoivat vaikuttavaan voimaan jonkin verran kuin se, mitä meille opetettiin koulussa. Tämä teoria löysi useita seuraajia ja sitä kehitettiin pian siinä määrin, että tumman aineen tarve katosi. On huomionarvoista, että Vera Rubin, joka on maailmankuulu pimeän aineen tutkimuksen edelläkävijä, on aina ollut taipuvainen Newtonin lakien muuttamiseen - näyttää siltä, että hän yksinkertaisesti ei pitänyt ajatuksesta aineesta, joka on runsas, mutta jota kukaan ei koskaan nähnyt.
Mainosvideo:
Vaikeasti saavutettu wimp
Pimeäainehiukkasille on monia ehdokkaita, ja suurimmalle osalle niistä on yleistävä ja melkein merkityksetön nimi "WIMP" - tämä on englanninkielinen lyhenne WIMP, johdettu termistä "Heikosti vuorovaikutteiset massiiviset partikkelit" tai "heikosti vuorovaikutuksessa olevat massiiviset hiukkaset". Toisin sanoen, nämä ovat hiukkasia, jotka osallistuvat vain gravitaatioon ja heikkoon vuorovaikutukseen - sen vaikutus ulottuu mitoihin, jotka ovat paljon pienempiä kuin atomin ytimen mitat. Tutkijoiden tärkeimmät ponnistelut kohdistuvat juuri näiden WIMP-hakemusten etsimiseen.
WIMP-ilmaisimet, etenkin ne, jotka vangitsevat ne ksenonin varalta, ovat periaatteessa samanlaisia kuin neutriinoloukut. Kerran uskoi jopa, että neutriino on erittäin vaikeasti vaeltava WIMP. Mutta tämän hiukkasen massa osoittautui liian pieneksi - tiedetään, että 84,5% kaikesta maailmankaikkeuden aineesta on tummaa ainetta ja arvioiden mukaan tässä massassa ei ole niin paljon neutriinoja.
Periaate on yksinkertainen. Otetaan esimerkiksi ksenoni raskaimpana jalokaasusta, joka on jäähdytetty typpilämpötilaan ja mieluiten matalampi, suojattuna tarpeettomilta "vierailta", kuten kosmisilta säteiltä, ksenonialuksen ympärille on asennettu paljon valokennoja, ja tämä koko järjestelmä, joka sijaitsee syvällä maan alla, odottaa. Koska joudut odottamaan kauan - laskelmien mukaan ksenonilukon, joka pystyy sieppaamaan sen läpi kulkevan WIMP: n 50 prosentin todennäköisyydellä, pituuden tulisi olla 200 valovuotta!
Sieppauksella tarkoitetaan tässä joko käärmeen lentoa ksenoniatomin lähellä ja lentoa sellaiselle etäisyydelle, jolla heikko vuorovaikutus toimii, tai suoraa osumaa ytimeen. Ensimmäisessä tapauksessa ksenoniatomin ulkoelektroni kolkutetaan kiertoradaltaan, joka kirjataan varauksen muutoksella, toisessa se hyppää toiselle tasolle ja palaa heti”kotiin” myöhemmin seuraavan fotonin säteilyllä, jonka valomodistimet rekisteröivät.
Sensaatio tai virhe?
”Yksinkertainen” ei kuitenkaan ole aivan oikea sana, kun sitä käytetään WIMP-ilmaisimissa. Se ei ole kovin helppoa ja erittäin kallista. Yksi näistä ilmaisimista yksinkertaisella nimellä Xenon asennettiin Italian maanalaiseen laboratorioon Gran Sassoon. Tähän mennessä sitä on muutettu kahdesti ja se on nyt nimeltään Xenon1T. Se puhdistetaan perusteellisesti epäpuhtauksista, jotka voivat johtaa signaaleihin, jotka ovat samanlaisia kuin tumman aineen signaalit. Esimerkiksi yhdestä tyypillisestä pilaavasta aineesta - radioaktiivisesta isotoopista krypton-85. Sen pitoisuus kaupallisessa ksenonissa on vain muutama miljoonasosa, mutta kun etsit WIMP-laitteita, se on täysin saastaista. Siksi aloittamalla laitoksen toisesta muutoksesta - Xenon100 - fyysikot puhdistavat lisäksi ksenonin, vähentäen pilaavan aineen pitoisuuden satoihin osiin triljoonaa kohti.
XENON100-ilmaisin
Kuva: Wikimedia Commons
Ja kytkemällä ilmaisimen he tietysti sanoivat rakastettua "melkein". Ensimmäisen 100 päivän tarkkailuistunnon aikana tutkijat tallensivat jopa kolme impulssia, hyvin samankaltaisia kuin lentävien WIMP-signaalien signaalit. He eivät uskoneet itseään, vaikka he todennäköisesti todella halusivat uskoa, mutta se oli vuosi 2011, jota leimasi jo voimakas lävistys: fyysikot havaitsivat, että CERN: stä heihin toisen kokeen aikana saapuneet neutriinot lentävät valonopeutta suuremmalla nopeudella. Tutkijoiden tutkittuaan näytti siltä, että kaikki, mikä voidaan vain vahvistaa, kääntyi tiedeyhteisön puoleen nähdäkseni mikä meni pieleen. Kollegat katsoivat eivätkä löytäneet virheitä sanoen, että näin ei voi olla, koska ei voisi koskaan olla. Ja niin se tapahtui: puhkaisu, kuten kävi ilmi, oli vain yksi liitin, jolla oli huono kosketin, jota oli vaikea huomata.
Ja nyt, sellaisen fiaskon paineessa, tutkijat kohtasivat jälleen valinnan. Jos nämä ovat WIMPS, tämä on taattu ja välitön Nobel-palkinto. Ja jos ei? Toisen kerran he eivät halunneet olla pettyneitä, ja he alkoivat tarkistaa ja tarkistaa. Tuloksena kävi ilmi, että kaksi kolmesta signaalista voi hyvinkin olla parasiittisignaaleja taustasaasteiden atomeista, joita ei poistettu kokonaan. Ja jäljellä oleva signaali ei päässyt lainkaan tilastoihin, joten parasta olisi unohtaa se eikä muistaa enää.
Ilmaisin ei nähnyt mitään
Toinen "melkein" kuulosti, kun Etelä-Dakotan hylätyssä kultakaivoksessa sijaitsevan herkän pimeän aineen ilmaisimen LUX (Large Underground Xenon) kanssa työskentelevän yhteistyön edustajat ilmoittivat muuttaneen ilmaisimen kalibrointia. Sen jälkeen heillä oli varmuuden rajoilla toivo, että kauan odotettu "melkein" tulee vihdoin totta. LUX-ilmaisin, joka olemassaolonsa ensimmäisestä päivästä lähtien oli paljon herkempi kuin italialainen, on kaksinkertainen herkkyys vakaville WIMP: ille ja 20 kertaa herkkä keuhkoille.
LUX-ilmaisin
Kuva: Suuri maanalainen Xenon-ilmaisin
Ensimmäisessä 300 päivän seurantaistunnossa, joka alkoi kesällä 2012 ja päättyi huhtikuuhun 2013, LUX ei nähnyt mitään, edes missä se olisi voinut nähdä jotain ainakin kohteliaisuudesta. Kuten Yalen yliopiston LUX-yhteistyön jäsen Daniel McKinsey sanoi: "Emme nähneet mitään, mutta näimme tämän 'mitään' paremmin kuin kukaan ennen meitä."
Tämän "mitään" seurauksena useita lupaavia versioita hylättiin kokonaan kerralla, etenkin suhteessa "kevyisiin" WIMP: iin. Joka ei lisännyt niiden kannattajien yhteistyötä, joiden keskuudessa LUX hylkäsi versiot. Kollegat hyökkäsivät heihin joukolla moitteita kyvyttömyydestään perustaa kokeilu oikein - reaktio on melko standardi ja odotettu.
Fyysikot eivät tiedä mitään WIMP: ien massasta - jos niitä on ollenkaan. Nyt haku suoritetaan massaalueella 1 - 100 GeV (protonimassa on noin 1 GeV). Monet tutkijat haaveilevat WIMP: stä, joiden massa on sata protonia, koska hiukkasilla, joilla on tällainen massa, ennustetaan supersymmetristä teoriaa, josta ei itse asiassa ole vielä tullut teoriaa, mutta joka on vain erittäin kaunis, mutta spekulatiivinen malli ja jonka monet ennustavat standardimallin seuraajan kohtalon. Tämä olisi todellinen lahja supersymmetrian kannattajille, etenkin nyt, kun Large Hadron Collider -kokeessa ei ole vielä rekisteröity mitään ennustetuista hiukkasista.
LUX-ilmaisimen toisen havaintoistunnon, joka päättyy ensi vuonna, pitäisi jo alussa mainittujen kalibrointien ansiosta lisätä detektorin herkkyyttä vakavasti ja auttaa eri massojen punosten kiinniottamisessa (aiemmin LUX viritettiin korkeimpaan herkkyyteen, noin 34 GeV) havaitsemalla niiden signaalit missä heidät on aikaisemmin jätetty huomiotta. Toisin sanoen ensi vuonna meitä odottaa uusi ja erittäin ratkaiseva”melkein”.
Jos tätä "melkein" ei tapahdu, niin se on myös kunnossa: seuraava LZ-ilmaisin, paljon herkempi, on jo valmis valmistamaan LUX: n korvaamista. Sen odotetaan käynnistyvän useita vuosia myöhemmin. Samaan aikaan DARWIN-yhteistyö valmistelee "hirviötä", jonka kapasiteetti on 25 tonnia ksenonia, jonka edessä LUX näyttää 370 kg: n kaasullaan olevan "sokea" ja hyödytöntä mihinkään. Joten näyttää siltä, että wimpamilla - jos niitä on - ei yksinkertaisesti ole missään piilossa, ja ennemmin tai myöhemmin he saavat itsensä tuntemaan. Fyysikot antavat heille enintään kymmenen vuotta tästä.
Wimp tai WAPP?
Jos patjat jatkavat eluiteettiaan, silloin on olemassa axion, jota myös tulisi jahdata. Aksionit ovat hypoteettisia hiukkasia, jotka amerikkalaiset fyysikot Roberto Peccei ja Helen Quinn ottivat käyttöön vuonna 1977, jotta päästäisiin eroon jonkin symmetrian murtamisen kvantikromodynaamisesta. Nämä ovat itse asiassa myös vimpejä, jotka kuuluvat kevyempien raitiojen alaryhmään (heikosti vuorovaikutteiset hoikkahiukkaset), mutta niillä on yksi erityispiirre: voimakkaassa magneettikentässä niiden on indusoitava fotoneja, joiden avulla ne voidaan helposti havaita.
Nykyään harvat ihmiset ovat kiinnostuneita aksioista, eikä edes siksi, että ihmiset eivät usko niihin liikaa, eikä siksi, että heidän rekisteröintiin liittyy erityisiä vaikeuksia, heidän etsintäänsä liittyy vain liian suuriin kustannuksiin. Jotta aksioni voi alkaa muuntaa virtuaalisia fotoneja todellisiksi, tarvitaan erittäin vahvoja magneettikenttiä - mielenkiintoista, että vaadittujen kenttien kanssa magneetteja on jo olemassa. Markkinat tarjoavat 18 Tesla-magneettia, on olemassa kokeellisia 32 Tesla-magneetteja, mutta nämä ovat erittäin kalliita koneita, joita ei ole helppo hankkia. Lisäksi ne, joista tällaisen tutkimuksen rahoitus riippuu, eivät todellakaan usko akselien olemassaolon todellisuuteen. Ehkä joskus tarve etsiä aksioita tekee nämä taloudelliset vaikeudet voittamattomiksi, ja siihen mennessä magneetit voivat tulla halvemmaksi.
Huolimatta näennäisestä loputtomasta ja hedelmättömästä WIMP-harjoittamisesta, asiat menee todella hyvin. Aluksi sinun on kehitettävä yksinkertaisin ja selvin versio - wimps. Kun heidät löydetään ja niiden massa tiedetään, fyysikkojen on mietittävä, mitkä nämä WIMP: t ovat - ovatko ne todella raskaita neutinoleja, fotonin, Z-bosonin ja Higgsin bosonin superpartnerien kvanttijoukkoja, kuten useimmat fyysikot olettavat, tai jotain- jotain muuta. Jos WIMP: itä ei löydy kaikista mahdollisista massoista, on harkittava vaihtoehtoisia vaihtoehtoja - esimerkiksi etsittävä WIMP: itä muilla tavoilla. Esimerkiksi, jos tämä on kuuluisa Majorana-fermioni, joka itsessään on hiukkasten vastainen, niin tapaamisen jälkeen tällaisten fermionien pitäisi tuhota, muuttua säteilyksi ja jättää muisto itsestään ylimääräisen fotonin muodossa.
Jos ei ole mitään keinoa havaita WIMP: itä, mikä todella näyttää epätodennäköiseltä, niin on mahdollista tarkastella tarkemmin vaihtoehtoja modifioidulla Newtonin mekaniikalla. On myös mahdollista tarkistaa (ei vielä ole selvää kuinka) täysin fantastinen versio, joka liittyy seitsemään jousiteorian ennustamaan ylimääräiseen ulottuvuuteen, jotka ovat meiltä piilossa, koska ne on kiertynyt Planck-kokoisiksi palloiksi. Joidenkin tällaisen moniulotteisuuden mallien mukaan painovoima tunkeutuu jokaiseen näistä ulottuvuuksista ja on siksi niin heikko kolmiulotteisessa maailmassamme. Tämä herättää kuitenkin mahdollisuuden, että tumma aine on piilotettu näihin käpristyneisiin ulottuvuuksiin ja ilmenee vain läsnä olevan painovoiman ansiosta. Kvanttikenttien topologisiin virheisiin liittyvälle tummalle aineelle on myös eksoottisia selityksiä,Ison räjähdyksen aikana syntyvä hypoteesi selittää tumman aineen avaruusmuodon fraktaalisuudella, ja ei ole epäilystäkään siitä, että tarvittaessa teoreettiset fyysikot keksivät jotain muuta ei vähemmän omaperäistä. Tärkeintä on lisätä ainoa oikea selitys tähän luetteloon.