Munculnya perkara gelap
Kadang-kadang nampaknya materi gelap itu sendiri yang membalas dendam kepada para saintis atas ketidaksediaan penemuannya lebih dari 80 tahun yang lalu. Kemudian, pada tahun 1933, ahli astronomi Amerika asal Switzerland Fritz Zwicky, memerhatikan enam ratus galaksi di gugus Coma yang terletak 300 juta tahun cahaya dari Bima Sakti, mendapati bahawa jisim gugus ini, ditentukan berdasarkan kelajuan pergerakan galaksi, adalah 50 kali lebih besar daripada jisim dikira dengan menganggar kilauan bintang.
Tidak mempunyai sedikitpun idea mengenai perbezaan besar ini, dia memberikannya definisi rasmi - masalah gelap.
Untuk masa yang sangat lama, sangat sedikit orang yang berminat dengan perkara gelap. Ahli astronomi percaya bahawa masalah jisim tersembunyi akan diselesaikan dengan sendirinya apabila mungkin untuk mengumpulkan maklumat yang lebih lengkap mengenai gas kosmik dan bintang-bintang yang sangat samar. Keadaan mula berubah hanya setelah ahli astronomi Amerika Vera Rubin dan Kent Ford menerbitkan hasil pengukuran kelajuan bintang dan awan gas di galaksi lingkaran M31 - nebula Andromeda pada tahun 1970. Menentang semua jangkaan, ternyata jauh dari pusatnya, halaju ini hampir tetap, yang bertentangan dengan mekanik Newton dan menerima penjelasan hanya dengan anggapan bahawa galaksi dikelilingi oleh sejumlah besar jisim yang tidak dapat dilihat.
Apabila anda menemui fenomena yang tidak diketahui, maka sebilangan besar penjelasan dapat dikaitkan dengannya, dan hanya tinggal menyelesaikannya satu demi satu, menolak yang tidak berguna dan mencipta yang baru di sepanjang jalan. Lebih-lebih lagi, bukan fakta bahawa di antara semua penjelasan ini akan betul. Tingkah laku bintang periferal yang tidak betul dapat dijelaskan dengan bergerak dalam dua arah - dengan sedikit membetulkan undang-undang Newton atau menyedari bahawa ada jirim di dunia yang berbeza dari kita, yang tidak kita lihat, kerana zarah-zarah yang disusunnya tidak berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik, maka mereka tidak memancarkan cahaya dan tidak menyerapnya, berinteraksi dengan dunia kita hanya melalui graviti.
Adakah Newton salah?
Arah pertama, iaitu pembetulan kontra-Newton, berkembang agak perlahan. Benar, pada tahun 1983 ahli teori Israel Mordechai Milgrom mencipta apa yang disebut mekanik Newtonian yang diubah suai, di mana pecutan kecil bertindak balas terhadap daya bertindak agak berbeza daripada cara kita diajar di sekolah. Teori ini menemui banyak pengikut dan segera dikembangkan sehingga keperluan untuk bahan gelap hilang. Perlu diperhatikan bahawa Vera Rubin sendiri, pelopor yang diakui secara antarabangsa dalam kajian mengenai masalah gelap, selalu cenderung terhadap pengubahsuaian undang-undang Newton - nampaknya dia tidak menyukai idea bahan yang berlimpah, tetapi yang tidak pernah dilihat oleh siapa pun.
Video promosi:
Wimp yang sukar difahami
Terdapat banyak calon partikel bahan gelap, dan bagi kebanyakan mereka terdapat nama umum dan hampir tidak bermakna "WIMPs" - ini adalah singkatan bahasa Inggeris WIMP, yang terbentuk dari istilah "Weakly Interacting Massive Particles", atau "partikel besar yang berinteraksi lemah". Dengan kata lain, ini adalah zarah yang hanya berpartisipasi dalam interaksi graviti dan lemah - kesannya meliputi dimensi yang jauh lebih kecil daripada dimensi nukleus atom. Ini adalah untuk mencari WIMP ini sebagai penjelasan yang paling menjurus bahawa usaha utama para saintis diarahkan hari ini.
Pengesan WIMP, terutama yang menangkapnya untuk xenon, mirip prinsipnya dengan perangkap neutrino. Pada satu ketika, bahkan dipercayai bahawa neutrino adalah WIMP yang sangat sukar difahami. Tetapi jisim zarah ini ternyata terlalu kecil - diketahui bahawa 84.5% dari semua jirim di Alam Semesta adalah bahan gelap dan, menurut pengiraan, tidak akan ada banyak neutrino pada jisim ini.
Prinsipnya mudah. Ambil, katakanlah, xenon sebagai gas mulia yang paling berat, disejukkan ke suhu nitrogen, dan lebih disukai lebih rendah, dilindungi dari mana-mana "tetamu" yang tidak perlu seperti sinar kosmik, banyak fotokel dipasang di sekitar kapal xenon, dan keseluruhan sistem ini, terletak di bawah tanah, terus menunggu. Kerana anda harus menunggu lama - menurut perhitungan, panjang perangkap dengan xenon, yang akan dapat menangkap WIMP yang melaluinya dengan kebarangkalian 50 persen, mestilah 200 tahun cahaya!
Di sini, penangkapan dimaksudkan sama ada penerbangan pengecut dekat atom xenon, dan penerbangan pada jarak di mana interaksi lemah sudah berfungsi, atau serangan langsung ke nukleus. Dalam kes pertama, elektron luar atom xenon akan tersingkir dari orbitnya, yang akan dicatat oleh perubahan casnya, pada yang kedua, ia akan melonjak ke tahap yang lain dan segera kembali ke "rumah" dengan pelepasan foton berikutnya, yang kemudian didaftarkan oleh photomultipliers.
Sensasi atau kesilapan?
Namun, "sederhana" bukanlah perkataan yang tepat ketika digunakan untuk pengesan WIMP. Ia tidak begitu mudah dan sangat mahal. Salah satu alat pengesan ini dengan nama Xenon yang tidak rumit dipasang di makmal Gran Sasso Itali bawah tanah. Sehingga kini, ia telah diubah suai dua kali dan kini diberi nama Xenon1T. Ia dibersihkan dengan sempurna dari kekotoran yang boleh membawa kepada isyarat yang serupa dengan isyarat dari bahan gelap. Sebagai contoh, dari salah satu pencemar biasa - isotop radioaktif krypton-85. Kandungannya dalam xenon komersial hanya beberapa bahagian per juta, tetapi ketika mencari WIMP, itu sangat kotor. Oleh itu, bermula dengan pengubahsuaian kedua pemasangan - Xenon100 - ahli fizik juga membersihkan xenon, mengurangkan kepekatan bahan pencemar hingga ratusan bahagian per trilion.
Pengesan XENON100
Foto: Wikimedia Commons
Dan dengan menyalakan alat pengesan, mereka, tentu saja, mengatakan bahawa mereka dihargai "hampir." Semasa sesi pemerhatian 100 hari pertama, saintis mencatat sebanyak tiga dorongan, sangat mirip dengan isyarat dari WIMP terbang. Mereka tidak mempercayai diri mereka sendiri, walaupun mereka mungkin benar-benar mahu mempercayai, tetapi pada tahun 2011, sudah ditandai dengan tusukan yang kuat: ahli fizik mendapati bahawa neutrino yang sampai kepada mereka dari CERN semasa eksperimen lain terbang dengan kelajuan melebihi kecepatan cahaya. Para saintis, setelah memeriksa, nampaknya, semua yang hanya dapat disahkan, beralih kepada komuniti ilmiah dengan permintaan untuk melihat apa yang salah. Rakan sekerja melihat dan tidak dapat menemui kesilapan, dengan mengatakan, bagaimanapun, bahawa ini tidak mungkin berlaku, kerana tidak pernah berlaku. Oleh itu, tusukan, ternyata, hanya satu penyambung dengan hubungan yang lemah, yang sukar diperhatikan.
Dan sekarang, di bawah kekacauan seperti itu, para saintis sekali lagi menghadapi pilihan. Sekiranya ini adalah WIMPS, maka ini adalah Hadiah Nobel yang dijamin, dan hadiah segera. Dan jika tidak? Kali kedua mereka tidak mahu dihina, dan mereka mula memeriksa dan memeriksa semula. Akibatnya, ternyata dua dari tiga isyarat itu mungkin merupakan isyarat parasit dari atom pencemar latar belakang, yang tidak sepenuhnya dihilangkan. Dan isyarat yang tersisa sama sekali tidak masuk ke dalam statistik, jadi yang terbaik adalah melupakannya dan tidak mengingatnya lagi.
Pengesan melihat "tidak ada"
Satu lagi "kedengaran" terdengar ketika wakil-wakil kolaborasi yang bekerja pada pengesan bahan gelap yang paling sensitif LUX (Large Underground Xenon), yang terletak di sebuah lombong emas terbengkalai di South Dakota, mengumumkan bahawa mereka telah mengubah penentukuran pengesan. Setelah itu, mereka mempunyai harapan, yang berbatasan dengan kepastian, bahawa "hampir" yang ditunggu-tunggu akhirnya akan menjadi kenyataan. Pengesan LUX, yang sejak hari pertama keberadaannya jauh lebih sensitif daripada pengesan Itali, dua kali lebih sensitif terhadap WIMP yang teruk dan 20 kali lebih sensitif terhadap paru-paru.
Pengesan LUX
Foto: Pengesan Xenon Bawah Tanah Besar
Semasa sesi pemerhatian 300 hari pertama, yang bermula pada musim panas 2012 dan berakhir pada April 2013, LUX tidak melihat apa-apa, walaupun di mana ia dapat melihat sesuatu yang paling tidak sopan. Seperti yang dikatakan oleh Daniel McKinsey, ahli kolaborasi LUX di Universiti Yale, "Kami tidak melihat apa-apa, tetapi kami melihat 'tidak ada' ini lebih baik daripada orang lain sebelum kami."
Sebagai hasil dari "tidak ada" ini, beberapa versi yang menjanjikan sepenuhnya dibuang sekaligus, terutama berkaitan dengan WIMP "ringan". Yang tidak menambah kerjasama para simpatisan dari antara mereka yang versi ditolak oleh LUX. Rakan sekerja menyerang mereka dengan banyak celaan kerana ketidakmampuan mereka mengatur eksperimen dengan betul - reaksi agak standard dan diharapkan.
Ahli fizik sama sekali tidak tahu mengenai massa WIMP - jika ia wujud sama sekali. Kini pencarian dilakukan dalam jisim jisim dari 1 hingga 100 GeV (jisim proton adalah sekitar 1 GeV). Ramai saintis mengimpikan WIMP dengan jisim seratus proton, kerana zarah dengan jisim sedemikian diramalkan oleh teori supersimetri, yang sebenarnya belum menjadi teori, tetapi hanya model yang sangat cantik, tetapi spekulatif dan banyak yang meramalkan nasib penerus Model Piawai. Ini akan menjadi hadiah sebenar bagi penyokong supersimetri, terutama sekarang, ketika percubaan di Large Hadron Collider belum mendaftarkan mana-mana partikel yang diramalkannya.
Sesi pemerhatian kedua mengenai pengesan LUX, yang akan berakhir tahun depan, harus, berkat kalibrasi yang telah disebutkan pada awalnya, dengan serius meningkatkan kepekaan pengesan dan membantu menangkap pelbagai jenis massa (sebelumnya LUX disetel dengan kepekaan tertinggi sekitar 34 GeV), mengesan isyarat mereka di mana mereka sebelum ini tidak diendahkan. Dengan kata lain, tahun depan "hampir" yang lain dan sangat menentukan menanti kita.
Sekiranya "hampir" ini tidak berlaku, maka tidak mengapa: pengesan LZ seterusnya, yang jauh lebih sensitif, sudah bersedia untuk menggantikan LUX. Ia dijangka dilancarkan beberapa tahun kemudian. Pada masa yang sama, kolaborasi DARWIN menyiapkan "monster" dengan kapasiti 25 tan xenon, di hadapan LUX, dengan 370 kg gasnya, nampak "buta" dan tidak berguna untuk apa-apa. Jadi kelihatan seperti wimpam - jika mereka ada - tidak akan ada tempat untuk bersembunyi, dan lambat laun mereka akan membuat diri mereka terasa. Ahli fizik memberi mereka tidak lebih dari sepuluh tahun untuk ini.
Wimp atau bijaksana?
Sekiranya para pengecut terus bertahan dalam kefasihannya, maka masih ada paksaan, yang juga harus dikejar. Axion adalah zarah hipotesis yang diperkenalkan pada tahun 1977 oleh ahli fizik Amerika Roberto Peccei dan Helen Quinn untuk menghilangkan kromodinamik kuantum dari beberapa pecahan simetri. Sebenarnya, ini juga Wimps, yang termasuk dalam subkategori wiski ringan (Weaksly Interacting Slim Particles), tetapi mereka mempunyai satu keanehan: dalam medan magnet yang kuat, mereka mesti mendorong foton di mana ia dapat dikesan dengan mudah.
Pada masa ini, hanya sedikit orang yang berminat dengan axions, dan bukan juga kerana orang tidak terlalu mempercayai mereka, dan bukan kerana pendaftaran mereka dikaitkan dengan beberapa kesulitan khas, hanya sekadar carian mereka yang berkaitan dengan perbelanjaan yang terlalu tinggi. Agar paksi mula menukar foton maya menjadi yang nyata, medan magnet yang sangat kuat diperlukan - menariknya, magnet dengan medan yang diperlukan sudah ada. Pasar menawarkan 18 magnet Tesla, terdapat 32 magnet Tesla eksperimental, tetapi ini adalah mesin yang sangat mahal dan tidak mudah diperoleh. Sebagai tambahan, mereka yang bergantung kepada pembiayaan penyelidikan sedemikian tidak benar-benar mempercayai realiti kewujudan paksi. Mungkin suatu hari nanti keperluan mencari paksi akan menjadikan kesulitan kewangan ini dapat diatasi, dan pada masa itu magnet mungkin menjadi lebih murah.
Walaupun mengejar WIMP yang nampaknya tidak berkesudahan dan tidak berbuah, semuanya berjalan lancar. Sebagai permulaan, anda perlu mencari versi paling mudah dan paling jelas - wimps. Apabila mereka dijumpai, dan jisimnya diketahui, ahli fizik harus memikirkan apa itu WIMP - adakah mereka benar-benar neutralinos, sekumpulan kuantum superpartner foton, Z-boson dan Higgs boson, seperti yang diandaikan oleh kebanyakan ahli fizik, atau sesuatu- sesuatu yang lain. Sekiranya WIMP tidak dijumpai di seluruh jisim yang mungkin, adalah perlu untuk mempertimbangkan pilihan alternatif - misalnya, mencari WIMP dengan cara lain. Sebagai contoh, jika ini adalah fermion Majorana yang terkenal, yang merupakan antipartikel, maka ketika bertemu, fermion seperti itu harus memusnahkan, berubah menjadi sinaran dan meninggalkan ingatan tentang diri mereka dalam bentuk kelebihan foton.
Sekiranya tidak ada cara untuk mengesan WIMP, yang sebenarnya nampaknya tidak mungkin, maka adalah mungkin untuk melihat lebih dekat pilihan dengan mekanik Newtonian yang diubah. Juga mungkin untuk memeriksa (belum jelas bagaimana) versi yang benar-benar hebat yang berkaitan dengan tujuh dimensi tambahan yang diramalkan oleh teori rentetan, yang tersembunyi dari kami, kerana mereka digulung menjadi bola berukuran Planck. Menurut beberapa model multidimensi seperti itu, daya graviti menembusi setiap dimensi ini dan oleh itu begitu lemah dalam dunia tiga dimensi kita. Walau bagaimanapun, ini menimbulkan kemungkinan bahawa bahan gelap tersembunyi dalam dimensi melengkung ini dan menampakkan dirinya hanya berkat graviti di mana-mana. Terdapat juga penjelasan eksotik untuk bahan gelap yang berkaitan dengan kecacatan topologi bidang kuantum,yang timbul semasa Big Bang, terdapat juga hipotesis yang menjelaskan perkara gelap oleh keretakan ruang-waktu, dan tidak ada keraguan bahawa, jika perlu, ahli fizik teori akan menghasilkan sesuatu yang lain yang tidak kurang asli. Perkara yang paling penting ialah menambahkan satu-satunya penjelasan yang betul ke senarai ini.
