Tumeaine tekkimine
Mõnikord näib, et tume teema ise on kätte maksnud teadlastele tähelepanematuse eest, millega selle avastusega enam kui 80 aastat tagasi kohtuti. Seejärel avastas 1933. aastal Šveitsi päritolu Ameerika astronoom Fritz Zwicky, et jälgida 300 miljonit valgusaasta kaugusel Linnuteest asunud Koma klastris kuussada galaktikat, et selle klastri mass, mis on määratud galaktikate liikumiskiiruse põhjal, on 50 korda suurem kui mass arvutatakse tähtede heleduse hindamise teel.
Kuna tal polnud vähimatki aimu, mis see massierinevus on, andis ta sellele nüüd ametliku määratluse - tumeaine.
Pikka aega huvitas tumeda aine vastu väga vähe inimesi. Astronoomid uskusid, et varjatud massi probleem laheneb iseenesest, kui on võimalik koguda täpsemat teavet kosmilise gaasi ja väga nõrkade tähtede kohta. Olukord hakkas muutuma alles pärast seda, kui Ameerika astronoomid Vera Rubin ja Kent Ford avaldasid tähtede ja gaasipilvede kiiruse mõõtmise tulemused suures spiraalgalaktikas M31 - Andromeda udus 1970. aastal. Kõigile ootustele vaatamata selgus, et kaugel tema keskpunktist on need kiirused ligikaudu konstantsed, mis läks Newtoni mehaanikaga vastuollu ja sai seletuse vaid eeldusel, et galaktikat ümbritseb suur hulk nähtamatut massi.
Kui puutute kokku nähtusega, mille kohta pole midagi teada, siis võib sellele omistada hulgaliselt seletusi ja jääb üle vaid sortida need ükshaaval läbi, pühkida kasutuid kõrvale ja leiutada uusi. Pealegi ei ole fakt, et kõigi nende seletuste hulgas on see õige. Perifeersete tähtede ebaõiget käitumist võiks seletada kahes suunas liikumisega - Newtoni seaduste pisut parandamisega või teadvustamisega, et maailmas on mateeriast erinev, mis meie omast erineb, mida me ei näe, kuna selle moodustatud osakesed ei osale elektromagnetilises interaktsioonis. nad ei kiirga valgust ega neela seda, suheldes meie maailmaga ainult gravitatsiooni kaudu.
Kas Newton eksis?
Esimene suund, st Newtoni vastane korrektsioon, arenes üsna aeglaselt. Tõsi, 1983. aastal lõi Iisraeli teoreetik Mordechai Milgrom niinimetatud modifitseeritud Newtoni mehaanika, milles väikesed kiirendused reageerivad toimivale jõule mõnevõrra erinevalt sellest, mida meile koolis õpetati. See teooria leidis palju järgijaid ja seda arendati peagi sel määral, et kadus vajadus tumeda aine järele. On tähelepanuväärne, et Vera Rubin ise, tumeda aine uurimise rahvusvaheliselt tunnustatud teerajaja, on alati olnud Newtoni seaduste muutmise poole kaldu - tundub, et talle lihtsalt ei meeldinud idee ainest, mida on küllaga, kuid mida keegi kunagi ei näinud.
Reklaamvideo:
Püüdmatu wimp
Tumeda aine osakeste kandidaate on palju ja enamiku nende jaoks on olemas üldistav ja peaaegu mõttetu nimi "WIMP" - see on ingliskeelne lühend WIMP, mis on moodustatud terminist "nõrgalt interakteeruvad massiivsed osakesed" või "nõrgalt interakteeruvad massiivsed osakesed". Teisisõnu, need on osakesed, mis osalevad ainult gravitatsioonilises ja nõrgas vastasmõjus - selle mõju ulatub aatomituuma mõõtmetest palju väiksematele mõõtmetele. Teadlaste peamised jõupingutused on suunatud just nende WIMP-de otsimisele kui kõige sugestiivsematele selgitustele.
WIMP-detektorid, eriti need, mis püüavad neid ksenooni jaoks, on põhimõtteliselt sarnased neutriinolõksudega. Korraks usuti isegi, et neutriino on väga tabamatu WIMP. Kuid selle osakese mass osutus liiga väikeseks - on teada, et 84,5% kogu Universumi ainest on tume mateeria ja arvutuste kohaselt ei teki sellel massil nii palju neutriine.
Põhimõte on lihtne. Võtke näiteks ksenoon kui lämmastiku temperatuurini jahutatud ja eelistatult madalamal temperatuuril jahutatud väärisgaaside ksenoon, mis on kaitstud selliste tarbetu "külaliste" eest nagu kosmiline kiirgus, ksenoonanuma ümber on paigaldatud palju fotoelemente ja kogu see süsteem, mis asub sügaval maa all, jätkub ootamist. Kuna peate kaua ootama - arvutuste kohaselt peaks ksenooniga püünise pikkus, mis suudab selle 50-protsendilise tõenäosusega lüüa, läbida WIMP, olema 200 valgusaastat!
Jäädvustamine tähendab siinkohal kas kimpude lendu ksenooni aatomi lähedal ja lendu sellisel kaugusel, kus nõrk interaktsioon juba töötab, või otsest lööki tuuma. Esimesel juhul koputatakse ksenooni aatomi välimine elektron oma orbiidilt välja, mis registreeritakse laengumuutusega, teisel juhul hüppab see teisele tasemele ja naaseb kohe koju koos sellele järgneva footoni emissiooniga, mille fotomultipileerijad siis registreerivad.
Sensatsioon või viga?
Kuid “lihtne” pole WIMP-detektorite puhul õige sõna. See ei ole väga lihtne ja väga kallis. Üks neist detektoritest lihtsa nime all Xenon paigaldati Itaalia maa-alusesse laborisse Gran Sasso. Praeguseks on seda kaks korda muudetud ja see kannab nüüd nime Xenon1T. See puhastatakse põhjalikult lisanditest, mis võivad viia signaalideni, mis sarnanevad tumeda aine signaalidega. Näiteks ühest tüüpilisest saasteainest - radioaktiivsest isotoobist krüptoon-85. Selle sisaldus kommertsksenoonis on vaid mõni miljon miljon, kuid WIMP-sid otsides on see üpris räpane. Seetõttu puhastavad füüsikud Xenon100 seadmestiku teisest modifikatsioonist lisaks ksenooni, vähendades saasteaine kontsentratsiooni sadadesse osadesse triljoni kohta.
XENON100 detektor
Foto: Wikimedia Commons
Ja detektori sisse lülitades ütlesid nad muidugi, et hellitati "peaaegu". Esimese 100-päevase vaatlusseansi ajal registreerisid teadlased koguni kolm impulssi, mis on väga sarnased lendavate WIMP-de signaalidele. Nad ei uskunud endasse, ehkki nad tõesti tahtsid uskuda, kuid see oli 2011. aasta, mida juba tähistas tugev torkeke: füüsikud avastasid, et CERNist teise katse käigus neile saabuvad neutriinod lendavad kiirusel, mis ületab valguse kiirust. Pärast teadlaste kontrollimist tundus, et kõik, mida saab ainult kontrollida, pöördusid teadusringkondade poole palvega näha, mis valesti läheb. Kolleegid vaatasid ega suutnud vigu leida, öeldes siiski, et see ei saa olla, sest see ei saa kunagi olla. Ja nii juhtus: punktsioon, nagu selgus, oli ainult üks halva kontaktiga pistik, mida oli raske märgata.
Ja nüüd seisid teadlased sellise fiasko raskuse all jälle valiku ees. Kui need on WIMPS-id, on see garanteeritud ja kohene Nobeli preemia. Ja kui mitte? Teisel korral ei tahtnud nad olla austatud ja nad hakkasid kontrollima ja uuesti kontrollima. Selle tulemusel selgus, et kaks kolmest signaalist võivad olla ka taustsaasteaatomite parasiitsignaalid, mis polnud täielikult kõrvaldatud. Ja järelejäänud signaal ei sattunud üldse statistikasse, nii et kõige parem oleks see unustada ja mitte enam meelde jätta.
Detektor nägi "mitte midagi"
Veel üks "peaaegu" kõlas, kui Lõuna-Dakota hüljatud kullakaevanduses asuva kõige tundlikuma tumeaine detektoriga LUX (Suur maa-alune ksenoon) töötava koostöö esindajad teatasid, et nad on detektori kalibreerimist muutnud. Pärast seda oli neil kindluse piiril lootus, et kauaoodatud "peaaegu" saab lõpuks teoks. LUX detektor, mis oli juba oma esimesest päevast alates palju tundlikum kui itaalia oma, on raskete WIMP-de suhtes kaks korda tundlikum ja kopsude suhtes 20 korda tundlikum.
LUX detektor
Foto: suur maa-alune ksenoondetektor
Esimese 300-päevase vaatlusseansi ajal, mis algas 2012. aasta suvel ja lõppes 2013. aasta aprillis, ei näinud LUX midagi, isegi seal, kus ta vähemalt viisakusest midagi nägi. Nagu ütles Yale'i ülikooli LUX-i liige Daniel McKinsey: "Me ei näinud midagi, aga me nägime seda" mitte midagi "paremini kui keegi teine meie ees."
Selle "mitte millegi" tulemusel visati mitu paljutõotavat versiooni korraga täielikult ära, eriti seoses "kergete" WIMP-dega. Mis ei lisanud mõistjate koostööd nende seas, kelle versioonid LUX tagasi lükkas. Kolleegid ründasid neid terve hulga etteheidetega suutmatuse eest eksperimenti õigesti seadistada - reaktsioon on üsna tavapärane ja ootuspärane.
Füüsikud ei tea WIMP-de massist absoluutselt midagi - kui need üldse olemas on. Nüüd teostatakse otsing massivahemikus 1 kuni 100 GeV (prootoni mass on umbes 1 GeV). Paljud teadlased unistavad saja prootoni massist WIMP-dest, sest sellise massiga osakesi ennustab supersümmeetriline teooria, mis tegelikult pole veel teooriaks saanud, vaid on vaid väga ilus, kuid spekulatiivne mudel ja mida paljud ennustavad tavamudeli järglase saatusele. See oleks tõeline kingitus supersümmeetria toetajatele, eriti nüüd, kui suures hadronite põrkeseadmes tehtud katse ei ole veel ühtegi ennustatud osakest registreerinud.
Teine vaatlusseanss LUX-detektoril, mis lõpeb järgmisel aastal, peaks tänu juba mainitud kalibreerimistele tõsiselt suurendama detektori tundlikkust ja aitama püüda erineva massiga kiipe (varem oli LUX häälestatud kõrgeimale tundlikkusele umbes 34 GeV), tuvastades nende signaalid kus neid eirati varem. Teisisõnu, järgmisel aastal ootab meid veel üks ja väga otsustav “peaaegu”.
Kui seda “peaaegu” ei juhtu, on see ka okei: järgmine LZ-detektor, mis on palju tundlikum, on juba valmis LUXi asendama. Selle loodetakse käivitada mitu aastat hiljem. Samal ajal valmistab DARWINi koostöö abil ette 25-tonnise ksenooni mahutavusega "koletist", mille ees LUX oma 370 kg gaasi abil tundub olevat "pime" ja millegi jaoks kasutu. Nii näib, et wimpamil - kui need on olemas - pole lihtsalt kuhugi varjata ja varem või hiljem annavad nad end tunda. Füüsikud annavad neile selleks aega vaid kümme aastat.
Wimp või WP?
Kui vitsad püsivad endiselt oma elujõulisuses, siis on ikkagi tegemist teljega, mida tuleks ka jälitada. Aksioonid on hüpoteetilised osakesed, mille avasid 1977. aastal Ameerika füüsikud Roberto Peccei ja Helen Quinn, et vabaneda kvantkromodünaamikast mingist sümmeetria murdumisest. Need on tegelikult ka Wimps, mis kuuluvad kergemate tarkade alamkategooriasse (nõrgalt interakteeruvad õhukesed osakesed), kuid neil on üks eripära: tugevas magnetväljas peavad nad indutseerima footoneid, mille abil neid on hõlpsasti tuvastatav.
Praegu on vähesed inimesed huvitatud telgedest ja isegi mitte seetõttu, et inimesed ei usu neisse liiga palju, ja mitte seetõttu, et nende registreerimisega kaasnevad mingid erilised raskused, vaid see, et nende otsingud on seotud liiga suurte kuludega. Selleks, et aksioon saaks hakata virtuaalseid footoneid reaalseteks teisendama, on vaja väga tugevaid magnetvälju - huvitaval kombel on vajalike väljadega magnetid juba olemas. Turul pakutakse 18 Tesla magneti, on olemas katselisi 32 Tesla magneti, kuid need on väga kallid masinad ja neid pole lihtne saada. Lisaks ei usu need, kellest sellise uurimistöö rahastamine sõltub, telgede olemasolu reaalsuses. Võib-olla muudab kunagi vajadus telgede otsimise järele need rahalised raskused ületatavaks ja selleks ajaks võivad magnetid odavamaks muutuda.
Vaatamata näiliselt lõputule ja viljatule WIMP-i jälitamisele lähevad asjad tegelikult hästi. Alustuseks peate välja töötama kõige lihtsama ja ilmseima versiooni - wimps. Kui need leitakse ja nende mass on teada, peavad füüsikud mõtlema, millised need WIMP-d on - kas need on tõesti rasked neutraalinoonid, footoni, Z-bosoni ja Higgsi bosoni superpartnerite kvantkomplekt, nagu enamik füüsikuid praegu arvab, või midagi sellist? midagi muud. Kui WIMP-sid ei leita kõigist võimalikest massidest, on vaja kaaluda muid võimalusi - näiteks otsida WIMP-sid muul viisil. Näiteks kui see on kuulus Majorana fermion, mis ise on osakestevastane aine, siis koosolekul peaksid sellised fermioonid hävima, muutudes radiatsiooniks ja jättes enda kohta mälestuse liigse footonite kujul.
Kui WIMP-sid pole võimalik tuvastada, mis tegelikult tundub ebatõenäoline, on võimalik modifitseeritud Newtoni mehaanikaga võimalusi lähemalt uurida. Samuti on võimalik kontrollida (pole veel selge, kuidas) täiesti fantastiline versioon, mis on seotud keelte teooria ennustatud seitsme lisamõõtmega, mis on meie eest varjatud, kuna need on kokku keeratud Plancki suurusteks pallideks. Sellise mitmemõõtmelisuse mõne mudeli kohaselt tungib gravitatsiooniline jõud igasse neist dimensioonidest ja on seetõttu meie kolmemõõtmelises maailmas nii nõrk. See aga suurendab võimalust, et tumeaine on neisse keerdunud mõõtmetesse peidetud ja avaldub ainult tänu kõikjal esinevale gravitatsioonile. Samuti on eksootilisi seletusi kvantväljade topoloogiliste defektidega seotud tumeda aine kohta,Suure paugu ajal tekkiv hüpotees, mis selgitab tumedat ainet aegruumi fraktaalsusega, ja pole kahtlust, et vajadusel tulevad teoreetilised füüsikud välja millegi muu, mitte vähem originaalsega. Kõige tähtsam on lisada sellesse loetellu ainus õige seletus.
