Apmēram 80% no visām kosmosā esošajām vielām ir tāda forma, kas pašreizējai fizikai ir pilnīgi nezināma. Mēs to saucam par tumšo matēriju, jo, cik labi varam pateikt, tā ir… tumša. Eksperimenti visā pasaulē mēģina uztvert nomaldījušās tumšās vielas daļiņu, cerot to saprast, taču līdz šim tie ir izrādījušies tukši.
Nesen teorētiķu komanda ir ierosinājusi jaunu veidu, kā medīt tumšo vielu, izmantojot dīvainas "daļiņas", kuras sauc par magnoniem - vārdu es ne tikai veidoju. Šie teorētiķi apgalvo, ka šie mazie ripples varētu aizvilināt pat slēpjošu, vieglu tumšās vielas daļiņu no slēpšanās.
Tumšās vielas mīkla
Mēs zinām visdažādākās lietas par tumšo vielu, ar ievērojamu izņēmumu, kas tā ir.
Pat ja mēs to nevaram tieši atklāt, mēs redzam tumšās matērijas pierādījumus, tiklīdz atveram savus teleskopus plašākam visumam. Pirmā atklāsme, pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados, notika, novērojot galaktiku kopas, dažas no lielākajām Visuma struktūrām. Galaktikas, kas viņus apdzīvoja, vienkārši pārvietojās pārāk ātri, lai turētos kopā kā kopas. Tas ir tāpēc, ka galaktiku kolektīvā masa dod gravitācijas līmi, kas notur kopu kopā - jo lielāka masa, jo stiprāka šī līme. Īpaši spēcīga līme var turēt kopā pat visātrāk pārvietojošās galaktikas. Jebkurš ātrāk un klasteris vienkārši izjauks sevi.
Bet tur izveidojās kopas, kurās galaktikas spīdēja apkārt daudz ātrāk, nekā tām vajadzētu dot klastera masu. Kaut kam bija pietiekami gravitācijas saķere, lai turētu kopas kopā, bet tas kaut ko neizstaroja vai nedarbojās ar gaismu.
Šis noslēpums pastāvēja neatrisināts gadu desmitiem ilgi, un 1970. gados astronoms Vera Rubins lielā mērā pārsteidza priekšteci, novērojot zvaigznes galaktikās. Atkal lietas pārvietojās pārāk ātri: ņemot vērā novēroto masu, mūsu Visuma galaktikām vajadzēja sevi savirzīt pirms miljardiem gadu. Kaut kas viņus turēja kopā. Kaut kas neredzēts.
Stāsts atkārtojas visā kosmosā - gan laikā, gan telpā. Sākot ar pirmo gaismu no Lielā sprādziena līdz lielākajām Visuma struktūrām, tur ir kaut kas bailīgs.
Meklē tumsā
Tātad tumšās matērijas ir ļoti daudz - mēs vienkārši nevaram atrast citas dzīvotspējīgas hipotēzes, lai izskaidrotu datu cunami, lai pamatotu tā pastāvēšanu. Bet kas tas ir? Mūsu labākais minējums ir, ka tumšā matērija ir kaut kāda jauna, eksotiska daļiņa, līdz šim fizikai nezināma. Šajā attēlā tumšās matērijas applūst katrā galaktikā. Faktiski redzamā galaktikas daļa, kas redzama caur zvaigznēm un gāzes un putekļu mākoņiem, ir tikai niecīga bāka, kas atrodas pret daudz lielāku, tumšāku krastu. Katra galaktika atrodas lielā "halogēnā", kas sastāv no ziljoniem uz ziljoniem tumšās vielas daļiņu.
Šīs tumšās vielas daļiņas šobrīd straumē caur jūsu istabu. Viņi straumē caur tevi. Nebeidzama lietus duša ir sīkas, neredzamas tumšās vielas daļiņas. Bet jūs tos vienkārši nepamanāt. Tie nav mijiedarbojas ar gaismu vai ar lādētām daļiņām. Jūs esat izgatavots no uzlādētām daļiņām un jūs esat ļoti draudzīgs pret gaismu; tu esi neredzams tumšajai matērijai, un tumšā matērija tev ir neredzama. Vienīgais veids, kā mēs "redzam" tumšo vielu, ir caur gravitācijas spēku; gravitācija pamana visas matērijas un enerģijas formas, tumšas vai nē, tāpēc lielākajos mērogos mēs novērojam visu šo neskaitāmo daļiņu kombinētās masas ietekmi. Bet šeit, jūsu istabā? Nekas.
Ja vien mēs ceram, ka ir kāds cits veids, kā tumšā matērija mijiedarbojas ar mums parasto matēriju. Iespējams, ka tumšās vielas daļiņa neatkarīgi no tā, cik liela tā ir, arī jūt vājo kodolspēku - kas ir atbildīgs par radioaktīvo sabrukšanu -, paverot jaunu logu šajā slēptajā valstībā. Iedomājieties, ka uzbūvējat milzu detektoru, tikai lielu masu neatkarīgi no jums pieejamā elementa. Caur to plūst tumšās matērijas daļiņas, gandrīz visas no tām ir pilnīgi nekaitīgas. Bet dažreiz, ar retumu atkarībā no konkrētā tumšās matērijas modeļa, caurlaidīgā daļiņa ar vāju kodolenerģijas palīdzību mijiedarbojas ar vienu no detektorā esošo elementu atomu kodoliem, izsitot to no vietas un veidojot visu detektora masu drebēt.
Ievadiet magnonu
Šī eksperimentālā iestatīšana darbojas tikai tad, ja tumšās vielas daļiņa ir salīdzinoši smaga, dodot tai pietiekami daudz informācijas, lai izspiestu kodolu vienā no šīm retajām mijiedarbībām. Bet līdz šim neviens no tumšās matērijas detektoriem visā pasaulē nav redzējis nekādas mijiedarbības pēdas, pat pēc gadiem ilgas meklēšanas. Tā kā eksperimenti ir notikuši, tumšās vielas pieļaujamās īpašības lēnām tiek izslēgtas. Tas nebūt nav slikta lieta; mēs vienkārši nezinām, no kā veidojas tumšā matērija, tāpēc, jo vairāk mēs zinām par to, kas tas nav, jo skaidrāks attēls tas varētu būt.
Bet rezultātu trūkums var būt nedaudz satraucošs. Tiek izslēgti vissmagākie tumšās vielas kandidāti, un, ja noslēpumainā daļiņa ir pārāk viegla, detektoros to vairs nekad neredzēs, jo šobrīd tā ir uzstādīta. Tas ir, ja vien nav cita veida, kā tumšā matērija var runāt ar parasto matēriju.
Nesenajā rakstā, kas publicēts tiešsaistes žurnālā arXiv, fiziķi detalizēti izklāsta ierosināto eksperimenta shēmu, kas varētu pamanīt tumšās vielas daļiņu, mainot elektronu griešanos (ja patiesībā tumšā matērija to var izdarīt). Šajā iestatījumā potenciāli var atklāt tumšo vielu, pat ja aizdomās turētā daļiņa ir ļoti viegla. To var izdarīt, materiālā izveidojot tā sauktos magnonus.
Izliecieties, ka jums ir materiāla gabals absolūtas nulles temperatūrā. Visi šajā jautājumā esošo elektronu griezieni - tāpat kā niecīgi, mazie stieņu magnēti - norāda tajā pašā virzienā. Lēnām paaugstinot temperatūru, daži elektroni sāks pamodīties, ķerties apkārt un nejauši norādīt to griešanos pretējā virzienā. Jo augstāka ir temperatūra, jo vairāk elektronu tiek apgriezti un katrs no tiem samazina magnētisko stiprumu tikai nedaudz. Katrs no šiem pagrieztiem griezieniem arī rada nelielu materiāla enerģijas pulsāciju, un šīs ķiķenes var uzskatīt par kvazdaļiņu, kas nav īsta daļiņa, bet gan kaut ko tādu, ko šādā veidā var aprakstīt ar matemātiku. Šīs kvazipartikli ir zināmi kā “magnoni”, iespējams, tāpēc, ka tie ir kā mazi, jauki, mazi magnēti.
Tātad, ja jūs sākat ar patiešām aukstu materiālu, un pietiekami daudz tumšās vielas daļiņu iesit pret materiālu un apvelk dažus griezienus, jūs novērojat magnonus. Eksperimenta jutīguma un mijiedarbības rakstura dēļ šī iestatīšana var atklāt vieglas tumšās vielas daļiņas.
Tas ir, ja tas pastāv.
Pols M. Sutters ir astrofiziķis plkst Ohaio štata universitāte, Jautājiet kosmosa darbiniekam un Kosmosa radio, un autors Tava vieta Visumā.
