He etsivät pimeää ainetta maapallolla, maan alla ja avaruudessa. Sen salaperäiset hiukkaset ovat näkymättömiä tieteellisille välineille, eivätkä ne ilmene missään. Niiden olemassaolon hyväksi on kuitenkin kerätty vankka "todistusperusta". Onko tutkijoilla mahdollisuus koskaan löytää pimeää ainetta.
Keskeinen osa maailmankaikkeutta
Pimeän aineen hiukkaset syntyivät pian Ison räjähdyksen jälkeen, jolloin maailmankaikkeus oli punaisen kuuma plasma. Jäähtyessään ne muodostivat paakkuja, jotka lopulta saivat aikaan tähtiä ja galakseja. Jos plasmassa olisi vain tavallisia hiukkasia, jotka muodostavat atomeja, säteily karkottaisi niitä toisistaan, eikä salli niiden muodostaa mitään rakenteita. Gravitaatioon sidotut esineet ilmestyivät riittävän nopeasti, mikä tarkoittaa, että jokin auttoi heitä. Joku massiivinen aine pidätti heitä. Nyt se ei ole millään tavalla vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa, ei säteile, joten emme tarkkaile sitä millään menetelmällä.
Näin tutkijat rekonstruoivat maailmankaikkeuden evoluution, joka olisi epätäydellinen ilman pimeän aineen osallistumista. Sveitsiläinen tähtitieteilijä Fritz Zwicky pääsi tähän johtopäätökseen jo 1930-luvulla. Tutkiessaan galaksijoukkoja hän ihmetteli, miksi ne eivät sironnut. Loppujen lopuksi näkyvien galaksien massa ei riitä pitämään ryhmää. Siksi on oltava piilotettu massa. Myöhemmin tämä hypoteesi löysi lukuisia vahvistuksia galaksien pyörimisnopeuksien poikkeavuuksista: levyn osat, jotka ovat kaukana keskustasta, tuskin hidastuvat, kuten se olisi, jos ne koostuisivat vain tähdistä.
Gravitaatiolinssit mahdollistavat epäsuorasti havaita piilotetun massan. Tämän vaikutuksen luovat kaksi massiivista galaksia, jotka sijaitsevat toistensa takana. Kaukaisen galaksin valoa taivuttaa lähellä olevan painovoimakenttä, ja kuten objektiivissa, sen kuva näkyy. Tämä antaa jonkinlaisen käsityksen pimeästä aineesta galakseissa, jotka muodostavat valtavan näkymätön halo niiden ympärille. Erilaisten mallien avulla tutkijat laskevat pimeän aineen tiheysjakauman halossa ja tekevät tämän perusteella arvailuja rakenteesta.
Vasemmalla - tumman aineen halo galaksissa NGC 4555.
Mainosvideo:
Pimeän aineen koostumus
Fyysikot ovat taipuvaisia uskomaan, että pimeä aine koostuu meille tuntemattomista hiukkasista.
”Astrofysikaaliset havainnointimenetelmät eivät kerro mitään niiden ominaisuuksista. On mahdollista, että he eivät ole vuorovaikutuksessa millään tavalla lukuun ottamatta gravitaatiomenetelmää. Ehkä suorat kokeet maapallolla eivätkä havainnot avaruudessa johda mihinkään. Tämä on aina pidettävä mielessä”, sanoo Venäjän tiedeakatemian kirjeenvaihtaja, Venäjän tiedeakatemian ydintutkimuslaitoksen johtava tutkija Dmitry Gorbunov RIA Novostille.
Ehdokkaita tummien hiukkasten rooliin ovat ultrakevyet aksionit, heikosti vuorovaikutuksessa olevat hiukkaset (WIMP) ja steriili neutriino, joka auttaa selittämään aurinko neutriinojen massaa ja värähtelyä.
”Kevyin steriili neutriino voi hyvinkin olla hiukkasia pimeästä aineesta. Se ei ole vakaa, mutta se elää hyvin kauan. Galaksassa tällaisten hiukkasten tulisi hajota neutriinoksi ja fotoniksi. Ne pyörivät hitaasti (10-3 kertaa valon nopeus), joten röntgensäteilyalueen huippu on odotettavissa fotonispektrissä”, tiedemies kertoo.
Hänen mukaansa hyvä spektrometri tulisi lähettää kiertoradalle yrittääkseen rekisteröidä tällaisia tapahtumia.
Kaksi vuotta sitten Gorbunov ja hänen kollegansa mallitsivat yhden hypoteeseista pimeän aineen epävakaasta komponentista selittääkseen ristiriitaa Planckin avaruusteleskooppikokeessa, jossa mitattiin pyhäinjasäteily. Ehkä tämä oli virhe, tai ehkä osoitus jostakin pimeän aineen ominaisuudesta. Tutkijat ovat ehdottaneet, että tumma aine on koostumukseltaan heterogeeninen eikä osa siitä ole säilynyt tähän päivään saakka.
Tummien hiukkasten etsiminen
Pimeän aineen hiukkasten sieppaaminen on yksi fysiikan avainkysymyksiä. Monet teoreetikot ja kokeilijat yrittävät vastata siihen. Havaintotapa riippuu mallista, johon kaikki hypoteettisen hiukkasen ominaisuudet asetetaan. Jos oletamme, että pimeä aine oli tasapainossa varhaisen maailmankaikkeuden plasmassa - ja siellä oli myös tavallisia hiukkasia -, se tarkoittaa, että se jotenkin on vuorovaikutuksessa niiden kanssa. Kaikista tunnetuista vuorovaikutustyypeistä, lukuun ottamatta gravitaatiota, sopivin on heikko, joka tapahtuu atomiytimen beeta-hajoamisen aikana.
"Tämän oletuksen mukaan, kun primaariplasma on jäähtynyt, tarvittava määrä pimeää ainetta on jäljellä", Dmitri Gorbunov selittää.
Tämän perusteella tummat hiukkaset voidaan tuhota muodostamalla elektroni ja positroni. He etsivät jälkiä näistä tuhoamisista, mutta tämä on joka tapauksessa epäsuora todiste. Lisäksi tulokset ovat melko sumeita, hiukkaset taipuvat, lentävät galaksin ympäri, tuhoavat, menettävät energiaa, ja mitä maapallolle pääsee, on vaikea erottaa kosmisten säteiden taustalla.
He yrittävät tarkkailla tummia hiukkasia suoraan maanalaisissa neutrinoilmaisimissa. Maan alla ilmakehän hiukkasten tausta vähenee, detektoriaine jäähtyy ja joudutaan odottamaan, että pimeä ainehiukkanen osuu siihen. Nämä tapahtumat ovat sinänsä harvinaisia, koska hiukkanen, jos se on vuorovaikutuksessa, on heikko. Isku aiheuttaa atomin virityksen ja energian puhkeamisen, jonka detektori kirjaa.
Tässä tapauksessa on mahdotonta lisätä loputtomasti detektoriaineen määrää tummien hiukkasten kulkeutumisen todennäköisyyden lisäämiseksi herkkyyttä menettämättä. Lisäksi neutriinot häiritsevät signaalia. Sen katkaisemiseksi joudut ehkä rakentamaan kokonaan uuden ilmaisimen tämän signaalin alapuolelle.
”Meidän on käytettävä hiukkasten iskusuunnan havaitsemista. Tämä tukahduttaa merkittävästi taustan, koska neutriinot lentävät suuntaan auringosta ja pimeä aine iskee muihin suuntiin , tiedemies täsmentää.
Kolmas suunta on tumman aineen hiukkasen muodostuminen tavallisten hiukkasten törmäyksen seurauksena LHC: ssä ja muissa kiihdyttimissä. Tarkkailijalle se näyttää esimerkiksi fotonilta, joka lentää sivulle. Momentin säilymislain mukaan myös hiukkasen tulisi lentää ulos toiseen suuntaan, mutta sitä ei ole. Joten hän on näkymätön.
Toistaiseksi yksikään tapa saada pimeän aineen hiukkasia ei ole onnistunut. Ei ole edes selvää, mikä niistä on lupaavin.
Universumin kokoonpano / RIA Novosti -kuvitus.
Tatiana Pichugina
