Dark Matter Just Got Murkier

{h1}

Odkrycie powoduje, że fizycy ponownie zastanawiają się, jak myślą o ciemnej materii, tajemniczych „rzeczach”, które przenikają wszechświat.

Don Lincoln jest starszym naukowcem w amerykańskim Departamencie Energii w Fermilab, największej amerykańskiej instytucji badawczej Large Hadron Collider. Pisze także o nauce dla społeczeństwa, w tym o swoim ostatnim „Wielki zderzacz hadronów: niezwykła historia bozonu Higgsa i innych rzeczy, które zawalą ci umysł„(Johns Hopkins University Press, 2014). Możesz śledzić go dalejFacebook. Lincoln wniósł ten artykuł do WordsSideKick.com's Głosy ekspertów: Op-Ed i statystyki.

Mówią, że miłość sprawia, że ​​świat się kręci i może to być prawda. Ale kiedy patrzysz na rzeczy na znacznie większą skalę - powiedzmy rozmiar galaktyk - miłość po prostu nie wystarczy. I w tym przypadku nie są to gwiazdy samych galaktyk. W rzeczywistości to, co sprawia, że ​​galaktyki krążą, jest rodzajem materii, której nigdy nie zaobserwowano bezpośrednio. Ten nieodkryty „materiał” nazywa się ciemną materią, a niedawno ogłoszono niesamowity nowy pomiar, który powoduje, że świat naukowy przemyśla od dawna przemyślane myśli.

Najnowszy wkład w naszą wiedzę na temat ciemnej materii został wniesiony przez współpracę w ramach dużego podziemnego ksenonu (LUX). LUX jest naczyniem składającym się z jednej trzeciej tony ciekłego ksenonu i jest najsilniejszym wykrywaczem ciemnej materii, jaki kiedykolwiek zbudowano. To laboratorium ciemnej materii znajdujące się w podziemnym ośrodku badawczym Sanford (SURF) znajduje się prawie milę pod Black Hills, w pobliżu Lead w Południowej Dakocie. Został zaprojektowany do sporadycznego wykrywania parującego wiatru ciemnej materii, który, jak się uważa, przepływa przez Układ Słoneczny. [6 Cool Underground Science Labs]

Chodzi o to, że niczego nie wykrył. To nieodkrywanie powoduje, że fizycy ponownie zastanawiają się, co myślą o ciemnej materii.

Trzymanie galaktyk

Ciemna materia jest odpowiedzią na prawie stuletni problem. Na początku lat 30. XX wieku, wkrótce po tym, jak astronomowie zdali sobie sprawę, że wszechświat składa się z niezliczonych galaktyk, naukowcy zwrócili uwagę na zrozumienie dynamiki, w jakiej gwiazdy krążą w obrębie galaktyk - w zasadzie, jak galaktyki się obracają. Holenderski astronom Jan Oort zastosował prawa ruchu i grawitacji Newtona do obserwowanej materii w naszej Drodze Mlecznej i stwierdził, że nasza galaktyka obraca się szybciej, niż się spodziewał. Wyglądało na to, że Droga Mleczna miała dwukrotnie masę, którą oszacowali astronomowie. Oczywiście, było to w epoce, w której powstawała precyzyjna astronomia galaktyczna, a niezgodność między obliczeniem a pomiarem tylko współczynnika dwa została uznana za doskonałą zgodność.

Gwałtowne zderzenie gromad galaktyk utworzyło gromadę galaktyk Abell 520. Fałszywe mapy nałożone na obraz ujawniają najwyższe stężenie masy w gromadzie (niebieskie), które według naukowców jest zdominowane przez ciemną materię.

Gwałtowne zderzenie gromad galaktyk utworzyło gromadę galaktyk Abell 520. Fałszywe mapy nałożone na obraz ujawniają najwyższe stężenie masy w gromadzie (niebieskie), które według naukowców jest zdominowane przez ciemną materię.

Źródło: ASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (University of California, Davis) i A. Mahdavi (San Francisco State University)

Jednak wkrótce po pomiarze Oorta bułgarsko-szwajcarski astronom Fritz Zwicky badał gromadę śpiączki, dużą grupę ponad tysiąca galaktyk, które zostały połączone przez swoją grawitację w ogromnej strukturze. Kiedy zmierzył prędkość galaktyk, stwierdził, że one także poruszają się o wiele za szybko, aby delikatne szarpnięcie grawitacji mogło je utrzymać. Według wszelkich praw klaster powinien się rozerwać. Ale tak nie było. Obliczył, że gromada zawiera 400 razy więcej materii niż zwykłe teleskopy. Współczesne pomiary zmniejszyły tę liczbę, ale nadal uważa się, że ta rozbieżność wynosi 100. Zwicky zaproponował, że istnieje pewien rodzaj niewidzialnej materii utrzymującej razem gromadę, którą nazwał „dunkle Materie” lub ciemną materią. [Dyskusja TED-Ex: Jak ciemna materia wyjaśnia prędkość gwiazdy?]

W latach 70. astronoma Vera Rubin próbowała znaleźć kontrowersyjny temat do zbadania, kiedy zwróciła uwagę na krzywe rotacji galaktyk. Jest to miara prędkości orbitalnej gwiazd w galaktykach w zależności od ich odległości od centrum. Odkryła, że ​​pomiary bardzo dobrze zgadzają się z prognozami w centrum galaktyki, a nawet zbliżają się do jej obrzeża. Ale na obrzeżach galaktyki gwiazdy krążyły o wiele szybciej, niż mogłyby to znosić znane prawa fizyki i obserwowana materia. Wyglądało na to, że ciemna materia Zwicky może pojawiać się również we wnętrzach galaktyk. (Najwyraźniej Rubin nie udała się, próbując znaleźć niekontrowersyjny temat).

W ciągu dziesięcioleci zaproponowano kilka pomysłów wyjaśniających szeroki wachlarz astronomicznych tajemnic, od możliwości, że prawa ruchu Newtona mogą nie mieć zastosowania, gdy przyspieszenia stają się małe, po pogląd, że zarówno Newton, jak i Einstein mylili się co do grawitacji. Te hipotezy nie przetrwały rygorystycznych testów. Innym pomysłem było to, że być może istnieją rodzaje materii we wszechświecie, które nie emitują energii elektromagnetycznej… była to ciemna materia Zwicky.

Ale nawet tutaj było wiele możliwości. Najbardziej prawdopodobną opcją było to, że wszechświat był domem dla menażerii czarnych dziur, brązowych karłów, nieuczciwych planet i innych ciemnych obiektów, które składały się z tego samego rodzaju zwykłej materii, która stanowi widoczny element wszechświata. Te obiekty są masywne, zwarte i wystarczająco zimne, aby nie emitowały światła jak gwiazdy. Znaleziono kilka takich obiektów, ale niewystarczająco, aby rozwiązać zagadkę. A zatem badania astronomiczne w latach 90. całkowicie wykluczyły ten pomysł. Biorąc stronę od Sherlocka Holmesa w „Znaku czterech”, w którym powiedział: „Kiedy wykluczyłeś niemożliwe, wszystko, co jest nieprawdopodobne, musi być prawdą”, naukowcy zostali zmuszeni do wniosku, że nowa forma niewidzialnej ciemnej materii przenika wszechświat. Być może nawet bardziej zaskakujące, wydaje się, że jest pięć razy więcej ciemnej materii niż zwykłej materii.

Właściwości ciemnej materii

Nigdy nie obserwowaliśmy bezpośrednio ciemnej materii, ale wiemy wiele o tym, czym ona musi być: musi być masywna (ponieważ wpływa na obrót galaktyk); musi być elektrycznie neutralny (ponieważ go nie widzimy); musi różnić się od zwykłej materii (ponieważ nie widzimy dowodów na jej interakcję z materią w zwykły sposób); i musi być stabilny (ponieważ istniał od zarania wszechświata). Te właściwości są jednoznaczne.

Nie wiemy jednak dokładnie, co to jest. W najpopularniejszej teorii ogólnej cząstka ciemnej materii nazywana jest WIMP, czyli słabo oddziałującą masywną cząsteczką. WIMP są jak ciężkie neutrony (ale zdecydowanie nie neutrony), o masie od 10 do 100 razy cięższej niż proton. Zostały one stworzone w wielkich ilościach podczas Wielkiego Wybuchu, a niewielka pozostałość relikwii trwa do dziś.

Kiedy kosmolodzy dodają pomysł WIMP do swoich pomysłów na Wielki Wybuch, mogą obliczyć, w jaki sposób miałby on oddziaływać. Odkrywają, że we wczesnych stadiach wszechświata WIMP były dominującą formą materii, ale gdy wszechświat rozszerza się i ochładza, a szybkość interakcji spada do zera, reliktowa ilość WIMP jest około pięć razy większa niż zwykła materia. W połączeniu z faktem, że idea WIMP może również wyjaśnić palącą teoretyczną tajemnicę, dlaczego cząstka bozonu Higgsa ma tak małą masę, naukowcy nazywają to „cudem WIMP”, biorąc pod uwagę fakt, że idea WIMP wydaje się odpowiadać na tak wiele pytania.

Mroczne odkrycie

To sprowadza nas z powrotem do eksperymentu LUX. Jest to po prostu najnowszy i najpotężniejszy eksperyment zaprojektowany do wykrywania WIMP. Chodzi o to, że detektor będzie siedział pod ziemią przez długi czas, powiedzmy rok lub dłużej, a rzadki WIMP zderzy się z atomem ksenonu i zostanie wykryty. (Detektor jest zakopany pod ziemią, aby chronić go przed promieniami kosmicznymi, które zderzałyby się z atomami ksenonowymi i udawały wykrycie ciemnej materii. Przebywanie pół mili lub mili pod ziemią zatrzymuje prawie wszystkie promienie kosmiczne.)

Powyższa objętość, będąca częścią współpracy dużego podziemnego ksenonu, zostanie wypełniona ciekłym ksenonem i można wykryć każdą interakcję z ksenonem, prawdopodobnie ujawniając identyfikację ciemnej materii.

Powyższa objętość, będąca częścią współpracy dużego podziemnego ksenonu, zostanie wypełniona ciekłym ksenonem i można wykryć każdą interakcję z ksenonem, prawdopodobnie ujawniając identyfikację ciemnej materii.

Źródło: Zdjęcie C.H. Faham

27 sierpnia badacze LUX ogłosili swoje wyniki. Nie widzieli dowodów na WIMP z ciemnej materii.

Więc to nie jest tak zaskakujące. Przeprowadzono dziesiątki eksperymentów, które szukały ciemnej materii i niczego nie znalazły. W tym sensie LUX dołączył do czcigodnej grupy. Ale LUX jest również znacznie bardziej wydajny. Oczekiwano, że będzie miał lepsze szanse na znalezienie WIMP niż jakikolwiek inny aparat.

Ale tak nie było.

Czy to oznacza, że ​​pomysł WIMP jest martwy? Nie, nie bardzo. Detektory ciemnej materii są zoptymalizowane tak, aby były najbardziej wrażliwe na określone masy, na przykład w jaki sposób dany mikrofon może odbierać głosy tenorowe lepiej niż słyszą sopran lub bas. LUX został zoptymalizowany, aby znaleźć WIMP o masie kilkadziesiąt razy cięższej niż proton. W rzeczywistości wykluczył WIMP mający masę 50 razy protonu z imponującym odrzuceniem. Jednak LUX nie radzi sobie tak dobrze z wykrywaniem WIMP o masie poniżej 10 razy większej niż masa protonu. A jeśli istnieją WIMP i mają masę 1000 razy większą niż proton, nie jest to również optymalny zakres badań LUX. Pozostaje więc szereg mas, w których może istnieć WIMP.

Osie, ciemne życie i mroczny ładunek

Mimo to WIMP były po prostu najpopularniejszym pomysłem na ciemną materię. Istnieją inne hipotezy. Jedna hipoteza wskazuje na cząsteczkę zwaną sterylnym neutrino, która jest kuzynem bardziej znanego neutrina wytwarzanego w reakcjach jądrowych. W rzeczywistości neutrina z największego pobliskiego reaktora jądrowego (słońca) nieustannie osłaniają Ziemię. W przeciwieństwie do zwykłych neutrin, które są ultralekkie i oddziałują poprzez słabą siłę jądrową, jałowe neutrina są ciężkie i nie doświadczają słabej siły. To właśnie dzięki dużej masie i właściwościom nie wchodzącym w interakcje sterylne neutrino jest idealnym kandydatem na ciemną materię.

Inna możliwa cząstka ciemnej materii, axion, została zaproponowana w 1977 r. Jako sposób na zapewnienie, że silne siły jądrowe traktowały materię i antymaterię na równych stopach (tak jak zgadzają się z obserwacjami). Aksion jest bardzo lekką, ale wciąż masywną, hipotetyczną cząsteczką. Detektor LUX nie jest przeznaczony do badania osi.

Potem oczywiście istnieje jeszcze bardziej kreatywna hipoteza, która sugeruje, że ciemna materia nie jest pojedynczą, neutralną, nie oddziałującą cząsteczką. W końcu zwykła materia jest dość skomplikowana. W skali kwantowej mamy kwarki i leptony oraz cztery siły. W skali makro mamy Ciebie i mnie, cukier, gwiazdy i wulkany oraz wszystkie różne sposoby ich interakcji. Zwykła materia ma wszelkiego rodzaju interakcje i składniki. Dlaczego nie ciemna materia? [7 Dziwnych faktów na temat kwarków]

Zgodnie z tą hipotezą ciemna materia może mieć „ciemny ładunek” lub formę ładunku elektrycznego ciemnej materii. W ten sam sposób, w jaki ciemna materia nie doświadcza ciemnego ładunku, może zwykła materia nie doświadcza ciemnego ładunku. Ten ciemny ładunek oddziaływałby z ciemnymi fotonami lub ciemnymi bliźniakami zwykłych lekkich cząstek.

A jeszcze bardziej odważna, być może ciemna materia doświadcza wielu sił i istnieje cały złożony ciemny sektor, z ciemnymi atomami i ciemnymi cząsteczkami, a może nawet ciemnym życiem. Jesteśmy w stanie nałożyć ograniczenia na te możliwe ciemne interakcje; na przykład wiemy wystarczająco dużo, aby wykluczyć ciemne gwiazdy i planety, ale ciemne asteroidy są możliwe. Ponownie LUX milczy na temat tych nowych pomysłów.

To niesprawiedliwe, aby powiedzieć, że pomiar LUX prowadzi do kryzysu w fizyce cząstek i kosmologii. Ale z pewnością daje naukowcom przerwę i sugeruje, że może powinniśmy przyjrzeć się temu zagadnieniu WIMP. Być może trzeba przyjrzeć się innym pomysłom. Z drugiej strony naukowcy, którzy chcą nadal realizować ideę WIMP, wciąż mają coś, na co czekają w miarę rozwoju technologii. LUX wykorzystuje jedną trzecią tony ciekłego ksenonu. Za 10 lub 15 lat naukowcy planują zbudować detektory, które mogą zawierać 100 ton, zapewniając jeszcze większe szanse na uchwycenie tej rzadkiej interakcji WIMP. To są czasy, kiedy trzeba być naukowcem z ciemnej materii.

Ale w końcu wciąż nie wiemy. Wiemy tylko, że możliwości LUX są wystarczająco dobre, więc może czas na poszerzenie naszego myślenia. Słowami zespołu rockowego Buffalo Springfield: „Coś się tu dzieje. To nie jest do końca jasne…”

Śledź wszystkie problemy i debaty Expert Voices - i dołącz do dyskusji - na Facebooku, Twitterze i Google+. Poglądy wyrażone są przez autora i niekoniecznie odzwierciedlają poglądy wydawcy. Ta wersja artykułu została pierwotnie opublikowana w WordsSideKick.com.


Suplement Wideo: Big Mysteries: Dark Energy.




Badania


Druzgocący! Ogromny Zderzacz Cząstek Uderza W Kamień Milowy Danych
Druzgocący! Ogromny Zderzacz Cząstek Uderza W Kamień Milowy Danych

Dziwaczny Antymater Emituje Takie Samo Światło Jak Zwykła Materia
Dziwaczny Antymater Emituje Takie Samo Światło Jak Zwykła Materia

Science News


Największy Prąd Oceanu Niesie Więcej Wody Niż Myśli
Największy Prąd Oceanu Niesie Więcej Wody Niż Myśli

Dowiedz Się, Jak Się Chronić Przed Uderzeniem Pioruna
Dowiedz Się, Jak Się Chronić Przed Uderzeniem Pioruna

Jaka Jest Różnica Między Żabą A Ropuchą?
Jaka Jest Różnica Między Żabą A Ropuchą?

Krople Wody Powiększ Światło Słoneczne I Spal Liście
Krople Wody Powiększ Światło Słoneczne I Spal Liście

Czy Magnetyzm Jest Źródłem Zielonej Energii?
Czy Magnetyzm Jest Źródłem Zielonej Energii?


PL.WordsSideKick.com
Wszelkie Prawa Zastrzeżone!
Kopiowanie Jakichkolwiek Materiałów Pozostawiono Tylko Prostanovkoy Aktywny Link Do Strony PL.WordsSideKick.com

© 2005–2020 PL.WordsSideKick.com