Hogyan keressünk sötét anyagot

Hogyan keressünk sötét anyagot

Hayk Hakobyan
"Népszerű Mechanika" №3, 2016

"A régi vizsgálati elvem az, hogy kiküszöböljem az összes nyilvánvalóan lehetetlen feltevést, aztán a maradék is igaz, nem számít, mennyire hihetetlennek tűnhet" – mondta Sherlock Holmes híres nyomozó. Ez a módszer a tudósok a sötét anyagot keresi.

Az ismert elemi részecskék (leptonok, kvarkok és bozonok) alapvető kölcsönhatásait (elektromágneses, gyenge és erős) leíró standard modell egy kísérlet által jól megerősített elmélet. Azonban a meglévő anyagnak csak mintegy 5% -át írja le, míg a fennmaradó 95% teljesen ismeretlen. Csak azt tudjuk, hogy ezek a 95% -uk, az úgynevezett rejtett tömeg vagy "sötét anyag", részt vesznek a gravitációs kölcsönhatásban a közönséges anyagokkal.

De mi magunk után járunk a név után? Lehet, hogy nincs sötét anyag, de egyszerűen a gravitációs elmélet nem működik ilyen mértékig? És ha igen, milyen részecskék rejtőznek? És hogyan kell keresni a "Nem tudom mit"? Ehhez a modern tudomány a Sherlock Holmes által megfogalmazott elvet használja: "Dobj el mindent, ami lehetetlen, és ami marad, a válasz, nem számít, mennyire valószínűtlen".A rejtett tömeg jelensége nagy valószínűséggel és valószínűtlennek bizonyulhat, amelyek megfelelnek a modern elméletnek és az ezzel ellentétes hipotéziseknek. Azonban a bírák, akik minden lehetetlen lehetőséget választanak ki, megfigyelés és kísérlet.

A "rejtett tömeg"

1933-ban Fritz Zwicky amerikai csillagász feltárta Veronica hajának galaxisainak klaszterét. Zwicky a galaxisok galaxisainak hozzávetőleges számát és a galaxisban lévő csillagok számának kiszámításával becsülte meg tömegét, és körülbelül 1013 a nap tömegei. Úgy döntött, hogy a galaxis sebességének mérésével más módon teszteli ezt a becslést: minél nagyobb a sebesség, annál nagyobb a galaxisra ható gravitációs erő, és annál nagyobb a klaszter teljes tömege. A Zwicki által ezen módszerrel kiszámított tömeg 5 × 10 volt14 a nap tömegeit, azaz 50-szer többet. Egy ilyen ellentmondást nem vettek túl komolyan, mert a csillagászok nagyon kevés információval rendelkeztek a csillagközi por-, gáz- és törpecsillagokról. Azt hitték, hogy ez a további tömeg bújhat bennük.

1. hipotézis: csillagközi por és gáz

1970-ben Vera Rubin és Kent Ford tanulmányozta a csillagok sebességének függőségét az Andromeda-galaxis (az úgynevezett rotációs görbe) középpontjától. Mivel a csillagok fő része a galaxis középpontjához közel helyezkedik el, logikus feltételezni, hogy minél messzebb van a csillag a középponttól, annál kevésbé kell a gravitációs erőnek hatása, annál kisebb a sebessége. Azonban kiderült, hogy a periférián lévő csillagok esetében egy ilyen törvény nem teljesül, és a görbe eléri a fennsíkot.

A galaxis forgásgörbéje a galaxisban lévő csillagok és gázok keringési sebességének görbéje a középponttól való távolság függvényében. Az észrevételek azt mutatják, hogy a térkép közepétől való távolság a fennsíkon halad

Ez azt jelentette, hogy a csillagok forgatását befolyásoló fő tömeg nem csak rejtett, hanem a perifériára vagy még tovább terjed. Később hasonló görbéket vonultattak fel különböző galaxisokra, pontosan ugyanolyan eredménnyel. Számos elliptikus galaxis esetében ezek a görbék nemcsak nem csökkentek, hanem nőttek is. Kiderül, hogy a tömeg többsége (átlagban több mint 90%) nem tartalmaz csillagokat, és ez a rejtett tömeg a galaktikus lemezterületet messze meghaladja egy gömb alakú haló formájában.

A csillagközi por és a gázfelhők többé nem magyarázhatják rejtett tömeg jelenlétét: a porrészecskék vagy a gázmolekulák kölcsönhatásuk következtében a súrlódás és a sugárzás elveszti az energiát, és fokozatosan áramlik a perifériáról a középpontra. Ezért a gázpor-természet hipotézisét el kellett dobni.

2. hipotézis: gyengén sugárzó asztrofizikai tárgyak

A következő egyszerű és nyilvánvaló hipotézis arra enged következtetni, hogy a látens tömeg egyes asztrofizikai tárgyakban (MACHO) zárható le. MAssive Compact Halo objektum), például fehér, vörös vagy barna törpe, neutron csillag, fekete lyuk vagy akár hatalmas Jupiter-szerű bolygó. Kis méretük és alacsony megvilágításuk miatt ezek az objektumok nem láthatók teleszkóppal, és valószínűleg olyan sokan vannak, hogy biztosítják jelen rejtett tömeg jelenlétét.

De ha nem látszanak teleszkóppal, hogyan lehet őket észlelni? Ha egy halvány masszív tárgy (MACHO) van a földi megfigyelő és egy fényes látható tárgy között, úgy működik, mint egy gravitációs objektív, és a megfigyelt tárgy fényesebbé válik. Ezt a jelenséget gravitációs mikrolensingnek nevezik. A MACHO jelenléte óriási mennyiségű microlensing eseményhez vezetett.A Hubble teleszkóp megfigyelései azonban azt mutatták, hogy nagyon kevés ilyen esemény létezik, és ha ilyenek léteznek, tömegük a galaxisok tömegének kevesebb, mint 20% -a, de nem 95%.

Ráadásul a kozmikus relikviális háttér megfigyelései lehetővé teszik a korai univerzumban a nucleosynthesis periódus alatt születhetõ baronok (protonok és neutronok) számának meglehetõsen pontos becslését. A kapott becslések azt mutatják, hogy a barióniás anyag, amelyet látunk (csillagok, gáz, porfelhők) bkörülbelülLeginkább a baryonikus anyag a mi univerzumunkban. Ezért a latens tömeg nem lehet barionokból.

3. hipotézis: módosított gravitáció

És mi van, ha egyáltalán nincs rejtett tömeg? Ez teljesen lehetséges, ha például a gravitációs elmélet, amelyet alkalmazunk, ilyen mérlegeken helytelen.

Minél nagyobb az objektumra ható gravitációs erő (ebben az esetben egy galaxis vagy egy csillag), annál nagyobb a gyorsulás (a második Newton-törvény, amelyet mindenki ismernek az iskolából), és ennek megfelelően a sebesség, mivel a centripetális gyorsulás arányos a sebesség négyzetével. És ha korrigálja Newton törvényét? 1983-ban az izraeli fizikus Mordechai Milgrom javasolta a MOND-hipotézist (MOdified Newtonian Dynamics), amelyben a Newton-törvényt kissé korrigálták abban az esetben, ha a gyorsulások elég kicsiek (10−8 cm / s2). Ez a megközelítés jól magyarázta a Rubin és a Ford által kapott forgási görbéket, valamint az elliptikus galaxisok növekvő forgási görbéit. Azonban a klaszterekben, ahol a galaxisok gyorsulása sokkal nagyobb, mint az egyes csillagok gyorsulása, a MOND semmilyen korrekciót nem tett a sötét anyag számára, és a kérdés nyitva maradt.

Volt más kísérlet is a gravitációs elmélet módosítására. Most ilyen elméletek széles skálája van, amelyet paraformált poszt-newtoni formalizmusnak neveznek. Minden egyes elméletet a tíz standard paraméter határozza meg, amely meghatározza a "szokásos" gravitációtól való eltérést. Néhány ilyen elmélet valóban megmagyarázza a rejtett tömeg problémáját, de más problémák is megjelennek, mint például a masszív fotonok vagy a gravitációs lencsék kromatikussága (a fényeltérés gyakoriságának függése a frekvencián), amelyet nem figyeltek meg. Mindenesetre ezen elméletek egyikét még nem erősítették meg észrevételek.

Így a sok hipotézis, amely nem ellentétes a kísérlet, csak egy lehetséges, habár egzotikus marad: a sötét anyag valamilyen nem-barionikus természet.Számos ilyen jelölt van elméletben, de két fő csoportra oszthatók: hideg és forró sötét anyag.

Sötét anyag kandidátorkomponensek. Jelenleg sok sötét anyag hipotézist (homályos masszív tárgyakat, módosított gravitációs elméletet) elutasítanak megfigyelésekkel, és a gyengén kölcsönható részecskék a fő jelöltek.

4. hipotézis: forró sötét anyag

A forró sötét anyag könnyű részecskék a fénysebességhez közeli sebességgel mozognak. Ennek a szerepnek a legnyilvánvalóbb jelöltje a legelterjedtebb neutrínó. Ezeknek a részecskéknek nagyon kis tömegük van (korábban azt hitték, hogy a tömeg nulla), a különböző termonukleáris folyamatok során a csillagok és a csillagképző régiók mélyén születnek, és szinte nem érintkeznek a baryon anyaggal. Azonban mivel az Univerzumban található neutrínók száma megmagyarázza a sötét anyagokkal való segítségnyújtást, szükséges, hogy tömegük körülbelül 10 eV legyen. De a kísérleti adatok azt mutatják, hogy a neutrínó tömege nem haladja meg az egy elektronvolt frakcióját, ami százszor kisebb, így ez a lehetőség eltűnik.A sötét anyag címe egy másik valószínűsíthető jelölt az úgynevezett steril neutrínó, egy hipotetikus, hatalmas negyedik neutrínás változat, amely nem vesz részt gyenge kölcsönhatásban. Az ilyen részecskéket azonban még nem fedezték fel kísérletekben, és létezésük ténye még mindig kérdéses.

Az elmúlt évek kozmológiai megfigyelései azt mutatják, hogy a forró sötét anyag (ha létezik) nem lehet több, mint a sötét anyag 10% -a. Az a tény, hogy a különböző típusú sötét anyagok különböző forgatókönyveket javasolnak a galaxisok kialakulásához. A forró sötét anyagi forgatókönyvben (felülről lefelé, felülről lefelé) az evolúció következtében először alakulnak ki az anyaggal töltött nagy területek, amelyek ezután összeomlanak különálló kis klaszterekké és végül galaxisokká válnak. A hideg sötét anyag forgatókönyve (alulról felfelé, alulról felfelé), először kis törpe galaxisok és klaszterek jönnek létre, amelyek ezután nagyobb struktúrákat képeznek. Megfigyelések és számítógépes szimulációk azt mutatják, hogy pontosan ez a forgatókönyv a Univerzumunkban valósul meg, ami a hideg sötét anyag látszólagos dominanciáját jelzi.

5. hipotézis: hideg sötét anyag

A hideg sötét anyag hipotézise ma a legvalószínűbb. A hideg sötét anyag hipotetikus részecskéi lassúak (nem-relativisztikusak), nagyon kölcsönösen kölcsönhatásba lépnek egymással és közönséges anyagokkal, és nem bocsátanak ki fotont. Gyengén kölcsönható masszív részecskékre (WIMP – gyengén kölcsönható hatalmas részecskék) és a gyengén kölcsönható fényrészecskék (WISP – gyengén kölcsönható, keskeny részecskék).

A WIMP alapvetően a szuperszimmetria elmélete (a standard modell rendes részecskéinek szupersimmetrikus partnerei) részecskéi, amelyek tömege nagyobb, mint néhány kiloelektronvolt, mint a photino (foton superpartner), a gravitino (hipotetikus graviton superpartner) stb. A legjobb jelölt a sötét anyag részecske A WIMP tudósai most úgy tekintenek a neutralinokra, hogy a Z-bozon, a foton és a Higgs bozon szuperpartnerek kvantum "keveréke".

Wimpy xenonban

A WIMP-keresés azon a tényen alapul, hogy bár nagyon gyengék, mégis a közönséges anyaggal vannak kapcsolatban.

Amikor az érzékelőben a munkaközeg magjai ütköznek, fotonok széteshetők (szcintilláció), amely fotomultiplierekkel regisztrálható. Ezenkívül a Wimps ionizálhatja a munkamagvú atomokat, amelyek szintén kimutathatók.Ez a két módszer általában kombinálódik a zaj – interakciók más részecskékkel, kozmikus sugárzásokkal stb. – és csak olyan eseményeket mutatnak ki, amelyek a sötét anyag részecskéinek ütközéséhez hasonlítanak. Mivel a munkaközeg általában folyékony xenon. A LUX kísérletben a gyengén kölcsönható masszív részecskék (WIMP) kimutatására irányuló kísérlet 400 kg folyékony ksenonnal töltött medence használatával nem sikerült, de most új DARWIN kísérlet készül.

25 tonna xenont használ a WIMP felderítésére.

A WISP-csoport fő jelöltje egy olyan tengely, amely az erős kölcsönhatás elméletében keletkezik és nagyon kis tömeggel bír. Ez a nagyon könnyű (egy elektronvolt millió százaléka) stabil és elektromosan semleges részecske nagyon erős mágneses mezőkben foton-fotonpárgá alakulhat, ami arra utal, hogyan próbálhatja meg észlelni a kísérletben.

Figyelembe kell venni az akadályokat

A híres filmben a "varázslók" egy receptet írtak le a falon való áthaladásra: "Ha látni szeretné a célt, hinni magadban, és nem veszi észre az akadályokat"

Egy hasonló rendszer szerint terveznek egy tengelyt – egy könnyű töltés nélküli részecske, amelyet a kvantumkromodinamika keretei között előre jeleznek.A tengely gyengén kölcsönhatásba lép a bárium anyaggal, ezért a tudósok nagy erőfeszítéseket tesznek magatartásukra a nagyon erős mágneses mezőben. Ha lézersugárzást irányítunk egy átlátszatlan falra, amelynek a régiójában rendkívül erős mágneses mezőt (tíz tesla) jön létre szupravezető mágnesek felhasználásával, egy foton ezen a téren olyan tengelygé alakulhat át, amely szó szerint átmegy a falon, "anélkül, hogy észrevenné" fotont válthat ki. Nyilvánvaló, hogy ilyen események ritkán fordulnak elő, de észlelhetők érzékeny detektorok segítségével.

2007-ben hároméves kísérlet kezdődött a DESY német gyorsítólaboratóriumában. Bármilyen fényrészecske keresés, Az ALPS-I és az ALPS-IIa kísérlet három évvel ezelőtt indult, amelynek folytatását (ALPS-IIc) a következő évekre tervezik. ADMX kísérlet (Axion Dark Matter eXperiment) és az ADMX-HF jelenlegi folytatása (Magas frekvencia) A Washingtoni Egyetem Kísérleti Magfizikai és Asztrofizikai Centruma (CENPA) egy szupravezető mágnes erős mágneses mezőjét is használja, amelyben a tengelyek fotonokká válnak.

Számos kísérlet ellenére azonban a WIMP-k, tengelyek vagy steril neutrínók felderítése nem volt lehetséges.Azonban a negatív eredmény a tudományban is fontos eredmény, mivel lehetővé teszi a részecskék bizonyos paramétereinek kiszűrését, például a lehetséges tömegek számának korlátozását. Évtől évig az újabb és újabb megfigyelések és a gyorsítók kísérlete új, szigorúbb korlátozásokat tartalmaz a sötét anyag részecskéinek tömegére és más paramétereire vonatkozóan. Így, miután eldobta az összes lehetetlen lehetőséget és szűkítette a keresések körét, egyre közelebb kerülünk ahhoz, hogy megértsük, mi áll az anyag 95% -ában a világegyetemben.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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