Pojawienie się ciemnej materii
Czasami wydaje się, że to sama ciemna materia mści się na naukowcach za nieuwagę, z jaką spotkało się jej odkrycie ponad 80 lat temu. Następnie, w 1933 roku, amerykański astronom szwajcarskiego pochodzenia Fritz Zwicky, obserwując sześćset galaktyk w gromadzie Coma znajdującej się 300 milionów lat świetlnych od Drogi Mlecznej, odkrył, że masa tej gromady, określona na podstawie prędkości ruchu galaktyk, jest 50 razy większa niż masa. obliczone poprzez oszacowanie jasności gwiazd.
Nie mając najmniejszego pojęcia, czym jest ta różnica masy, podał jej oficjalną definicję - ciemna materia.
Przez bardzo długi czas ciemną materią interesowało bardzo niewiele osób. Astronomowie wierzyli, że problem ukrytej masy zostanie rozwiązany samoczynnie, gdy będzie można zebrać pełniejsze informacje o gazie kosmicznym i bardzo słabych gwiazdach. Sytuacja zaczęła się zmieniać dopiero po opublikowaniu przez amerykańskich astronomów Vera Rubin i Kent Forda wyników pomiarów prędkości gwiazd i chmur gazu w dużej galaktyce spiralnej M31 - mgławicy Andromedy w 1970 roku. Wbrew wszelkim oczekiwaniom okazało się, że daleko od jej centrum prędkości te są w przybliżeniu stałe, co zaprzeczało mechanice Newtona i otrzymało wyjaśnienie tylko przy założeniu, że galaktykę otacza duża ilość niewidzialnej masy.
Kiedy natkniesz się na zjawisko, o którym nic nie wiadomo, można mu przypisać wiele wyjaśnień, a pozostaje tylko przejrzeć je jeden po drugim, odrzucić na bok te bezużyteczne i po drodze wymyślić nowe. Co więcej, nie jest faktem, że pośród tych wszystkich wyjaśnień będzie on poprawny. Niewłaściwe zachowanie gwiazd peryferyjnych można wytłumaczyć poruszaniem się w dwóch kierunkach - nieznaczną korektą praw Newtona lub uznaniem, że w świecie istnieje inna niż nasz materia, której nie widzimy, ponieważ cząsteczki, z których się składa, nie uczestniczą w oddziaływaniu elektromagnetycznym, wtedy nie emitują światła i nie pochłaniają go, oddziałując z naszym światem jedynie poprzez grawitację.
Czy Newton się mylił?
Pierwszy kierunek, czyli korekta kontrnewtonowska, rozwijał się dość powolnie. To prawda, że w 1983 roku izraelski teoretyk Mordechaj Milgrom stworzył tak zwaną zmodyfikowaną mechanikę Newtona, w której małe przyspieszenia reagują na działającą siłę nieco inaczej niż to, jak nas uczono w szkole. Ta teoria znalazła wielu zwolenników i wkrótce została rozwinięta do tego stopnia, że zniknęła potrzeba ciemnej materii. Warto zauważyć, że sama Vera Rubin, światowej sławy pionierka w badaniach ciemnej materii, zawsze była skłonna do modyfikacji praw Newtona - wydaje się, że po prostu nie podobała jej się idea substancji, której jest mnóstwo, ale której nikt nigdy nie widział.
Film promocyjny:
Nieuchwytny mięczak
Istnieje wielu kandydatów na cząstki ciemnej materii, a dla większości z nich istnieje uogólniająca i prawie bezsensowna nazwa „WIMPs” - to angielski skrót WIMPs, utworzony od określenia „Weakly Interacting Massive Particles” lub „słabo oddziałujące masywne cząstki”. Innymi słowy, są to cząstki, które biorą udział tylko w oddziaływaniach grawitacyjnych i słabych - ich działanie rozciąga się na wymiary znacznie mniejsze niż wymiary jądra atomowego. To właśnie poszukiwanie tych WIMP-ów jest najbardziej sugestywnym wyjaśnieniem, że główne wysiłki naukowców są obecnie skierowane.
Detektory WIMP, zwłaszcza te, które wychwytują je na ksenon, są zasadniczo podobne do pułapek neutrinowych. Kiedyś uważano nawet, że neutrino to bardzo nieuchwytny WIMP. Jednak masa tej cząstki okazała się zbyt mała - wiadomo, że 84,5% całej materii we Wszechświecie to ciemna materia i według obliczeń na tej masie nie będzie tylu neutrin.
Zasada jest prosta. Weźmy, powiedzmy, ksenon jako najcięższy z gazów szlachetnych, schładzany do temperatur azotu, a najlepiej niższych, chroniony przed niepotrzebnymi „gośćmi”, takimi jak promienie kosmiczne, wokół zbiornika ksenonowego zainstalowano wiele fotokomórek, a cały ten system znajduje się głęboko pod ziemią, przechodzi do czekania. Ponieważ trzeba długo czekać - według obliczeń długość pułapki z ksenonem, która będzie w stanie przechwycić przechodzący przez nią WIMP z 50-procentowym prawdopodobieństwem, powinna wynosić 200 lat świetlnych!
W tym przypadku przez przechwytywanie rozumie się albo lot mięczaka w pobliżu atomu ksenonu i lot na taką odległość, w której słabe oddziaływanie już działa, albo bezpośrednie uderzenie w jądro. W pierwszym przypadku zewnętrzny elektron atomu ksenonu zostanie wybity ze swojej orbity, co zostanie zarejestrowane przez zmianę ładunku, w drugim przeskoczy na inny poziom i natychmiast powróci do „domu” z kolejną emisją fotonu, który jest następnie rejestrowany przez fotopowielacze.
Sensacja czy błąd?
Jednak „proste” nie jest właściwym słowem w odniesieniu do detektorów WIMP. Nie jest to łatwe i bardzo drogie. Jeden z tych detektorów o nieskomplikowanej nazwie Xenon został zainstalowany w podziemnym włoskim laboratorium Gran Sasso. Do tej pory był dwukrotnie modyfikowany i nosi teraz nazwę Xenon1T. Jest dokładnie oczyszczany z zanieczyszczeń, które mogą prowadzić do sygnałów podobnych do sygnałów z ciemnej materii. Na przykład od jednego z typowych zanieczyszczeń - radioaktywnego izotopu kryptonu-85. Jego zawartość w komercyjnym ksenonie to tylko kilka części na milion, ale gdy szukasz WIMP-ów, jest to kompletny brud. Dlatego zaczynając od drugiej modyfikacji instalacji - Xenon100 - fizycy dodatkowo oczyszczają ksenon, zmniejszając stężenie zanieczyszczenia do setek części na bilion.
Detektor XENON100
Zdjęcie: Wikimedia Commons
Włączając wykrywacz, oczywiście powiedzieli, że cenione „prawie”. Podczas pierwszej 100-dniowej sesji obserwacyjnej naukowcy zarejestrowali aż trzy impulsy, bardzo podobne do sygnałów z latających WIMP-ów. Nie wierzyli sobie, chociaż prawdopodobnie naprawdę chcieli w to uwierzyć, ale był rok 2011, już naznaczony silnym przebiciem: fizycy odkryli, że neutrina docierające do nich z CERN-u w trakcie innego eksperymentu lecą z prędkością przekraczającą prędkość światła. Naukowcy, po sprawdzeniu, jak się wydaje, wszystkiego, co można tylko zweryfikować, zwrócili się do społeczności naukowej z prośbą o sprawdzenie, co się dzieje. Koledzy patrzyli i nie mogli znaleźć błędów, mówiąc jednak, że tak nie może być, bo nigdy nie mogło być. I tak się stało: przebicie, jak się okazało, było tylko jednym złączem ze słabym stykiem, który trudno było zauważyć.
A teraz, pod ciężarem takiego fiaska, naukowcy ponownie stanęli przed wyborem. Jeśli to WIMPS, to jest to gwarantowana Nagroda Nobla i natychmiastowa. A jeśli nie? Za drugim razem nie chcieli być zhańbieni i zaczęli sprawdzać i ponownie sprawdzać. W rezultacie okazało się, że dwa z trzech sygnałów mogą być sygnałami pasożytniczymi pochodzącymi z atomów zanieczyszczeń tła, które nie zostały całkowicie wyeliminowane. A pozostały sygnał w ogóle nie trafiał do statystyk, więc najlepiej byłoby o tym zapomnieć i więcej nie pamiętać.
Detektor nie zauważył „nic”
Kolejne „prawie” zabrzmiało, gdy przedstawiciele współpracy pracującej nad najbardziej czułym detektorem ciemnej materii LUX (Large Underground Xenon), który znajduje się w opuszczonej kopalni złota w Południowej Dakocie, ogłosili, że zmienili kalibrację detektora. Potem mieli nadzieję, graniczącą z pewnością, że długo oczekiwane „prawie” wreszcie się spełni. Detektor LUX, który od pierwszego dnia swojego istnienia był znacznie bardziej czuły niż włoski, jest dwukrotnie bardziej wrażliwy na ciężkie WIMP i 20 razy bardziej wrażliwy na płuca.
Detektor LUX
Zdjęcie: Duży podziemny detektor ksenonowy
Podczas pierwszej 300-dniowej sesji obserwacyjnej, która rozpoczęła się latem 2012 roku, a zakończyła w kwietniu 2013 roku, LUX nic nie widział, nawet tam, gdzie widział coś przynajmniej z grzeczności. Jak powiedział Daniel McKinsey, członek zespołu LUX na Uniwersytecie Yale, „Nic nie widzieliśmy, ale widzieliśmy to 'nic' lepiej niż ktokolwiek przed nami”.
W wyniku tego „niczego” kilka obiecujących wersji zostało całkowicie odrzuconych naraz, zwłaszcza w odniesieniu do „lekkich” WIMP-ów. Co nie dodawało do współpracy sympatyków spośród tych, których wersje zostały odrzucone przez LUX. Koledzy zaatakowali ich całą masą wyrzutów za niezdolność do prawidłowego skonfigurowania eksperymentu - reakcja jest dość standardowa i oczekiwana.
Fizycy nie wiedzą absolutnie nic o masie WIMP-ów - o ile w ogóle istnieją. Teraz poszukiwania prowadzone są w zakresie mas od 1 do 100 GeV (masa protonu wynosi około 1 GeV). Wielu naukowców marzy o WIMP-ach o masie stu protonów, ponieważ cząstki o takiej masie są przewidywane przez teorię supersymetryczną, która w rzeczywistości nie stała się jeszcze teorią, a jest tylko bardzo pięknym, ale spekulatywnym modelem, i który wielu przepowiada losy następcy Modelu Standardowego. Byłby to prawdziwy prezent dla zwolenników supersymetrii, zwłaszcza teraz, gdy eksperyment w Wielkim Zderzaczu Hadronów nie zarejestrował jeszcze żadnej przewidzianej przez siebie cząstki.
Druga sesja obserwacyjna na detektorze LUX, która zakończy się w przyszłym roku, powinna dzięki kalibracji wspomnianej już na początku poważnie zwiększyć czułość detektora i pomóc w wyłapywaniu mięczaków o różnej masie (wcześniej LUX był dostrojony do najwyższej czułości około 34 GeV), wykrywając ich sygnały tam, gdzie były wcześniej ignorowane. Innymi słowy, w przyszłym roku czeka nas kolejny i bardzo decydujący „prawie”.
Jeśli to „prawie” się nie wydarzy, to też jest w porządku: następny detektor LZ, który jest znacznie bardziej czuły, jest już przygotowywany do zastąpienia LUX. Uruchomienie ma nastąpić kilka lat później. W tym samym czasie współpraca DARWIN przygotowuje „potwora” o pojemności 25 ton ksenonu, przed którym LUX ze swoim 370 kg gazu wydaje się „ślepy” i do niczego nie nadaje się. Wygląda więc na to, że wimpam - jeśli istnieją - po prostu nie będzie miał gdzie się ukryć i prędzej czy później dadzą się odczuć. Fizycy dają im na to nie więcej niż dziesięć lat.
Wimp czy Wisp?
Jeśli mięczaki nadal trwają w swojej nieuchwytności, nadal istnieje aksjon, za którym również należy gonić. Aksjony to hipotetyczne cząstki wprowadzone w 1977 roku przez amerykańskich fizyków Roberto Peccei i Helen Quinn w celu pozbycia się chromodynamiki kwantowej pewnego złamania symetrii. W rzeczywistości są to również Wimpy, należące do podkategorii lżejszych pasm (słabo oddziałujące cienkie cząsteczki), ale mają jedną cechę szczególną: w silnym polu magnetycznym muszą indukować fotony, dzięki którym można je łatwo wykryć.
Dziś niewiele osób interesuje się aksionami i to nawet nie dlatego, że ludzie za bardzo w nie wierzą, a nie dlatego, że ich rejestracja wiąże się z pewnymi szczególnymi trudnościami, po prostu ich poszukiwanie wiąże się ze zbyt dużymi wydatkami. Aby aksion zaczął przekształcać wirtualne fotony w rzeczywiste, potrzebne są bardzo silne pola magnetyczne - co ciekawe, magnesy z wymaganymi polami już istnieją. Rynek oferuje 18 magnesów Tesli, są eksperymentalne magnesy 32 Tesli, ale są to bardzo drogie maszyny i niełatwe do zdobycia. Ponadto ci, od których zależy finansowanie takich badań, tak naprawdę nie wierzą w realność istnienia aksjonów. Być może kiedyś potrzeba poszukiwania aksionów sprawi, że te trudności finansowe będą przezwyciężone, a do tego czasu magnesy mogą stać się tańsze.
Pomimo pozornie niekończącej się i bezowocnej pogoni za WIMP-ami, sprawy idą dobrze. Na początek musisz wypracować najprostszą i najbardziej oczywistą wersję - mięczaki. Kiedy zostaną znalezione, a ich masa będzie znana, fizycy będą musieli pomyśleć o tym, czym są te WIMP - czy są to naprawdę ciężkie neutrina, kwantowy zestaw superpartnerów fotonu, bozonu Z i bozonu Higgsa, jak zakłada większość fizyków, czy coś … coś innego. Jeśli WIMP nie zostanie znaleziony w całym zakresie możliwych mas, konieczne będzie rozważenie alternatywnych opcji - na przykład poszukanie WIMPów w inny sposób. Na przykład, jeśli jest to słynny fermion Majorany, który sam jest antycząstką, to po spotkaniu takie fermiony powinny anihilować, zamieniając się w promieniowanie i pozostawiając pamięć o sobie w postaci nadmiaru fotonów.
Jeśli nie ma sposobu na wykrycie WIMP-ów, co w rzeczywistości wydaje się mało prawdopodobne, będzie można przyjrzeć się bliżej opcjom ze zmodyfikowaną mechaniką Newtona. Będzie można również sprawdzić (nie jest jeszcze jasne jak) całkowicie fantastyczną wersję związaną z siedmioma dodatkowymi wymiarami przewidzianymi przez teorię strun, które są przed nami ukryte, ponieważ są zwinięte w kulki wielkości Plancka. Według niektórych modeli takiej wielowymiarowości, siła grawitacji przenika do każdego z tych wymiarów i dlatego jest tak słaba w naszym trójwymiarowym świecie. Stwarza to jednak możliwość, że ciemna materia jest ukryta w tych zwiniętych wymiarach i objawia się tylko dzięki wszechobecnej grawitacji. Istnieją również egzotyczne wyjaśnienia ciemnej materii związanej z topologicznymi defektami pól kwantowych,powstała podczas Wielkiego Wybuchu, istnieje również hipoteza wyjaśniająca ciemną materię ułamkowością czasoprzestrzeni i nie ma wątpliwości, że fizycy teoretycy w razie potrzeby wymyślą coś innego nie mniej oryginalnego. Najważniejsze jest dodanie do tej listy jedynego poprawnego wyjaśnienia.