Bagaimana untuk mencari perkara yang gelap

Bagaimana untuk mencari perkara yang gelap

Alexey Levin
"Mekanik Popular" №6, 2014

Alam semesta kita terdiri daripada perkara biasa (baryonic) dengan hanya 15%. Baki 85% terdiri daripada perkara gelap misteri, sifatnya yang masih belum diketahui.

Pada tahun 1933, seorang ahli astronomi Amerika dari asal Switzerland, Fritz Zwicky, mengamati enam ratus galaksi dalam gugusan koma, yang terletak 300 juta tahun cahaya dari Bima Sakti ke arah konstelasi Rambut Veronica (Coma Berenices), mendapati bahawa jisim kluster ini, ditentukan berdasarkan kelajuan pergerakan galaksi (yang dinamakan jisim dinamik), 50 kali jisim yang dikira dengan menganggar kilauan bintang. Tiga tahun kemudian, Amerika Syarikat, Sinclair Smith, mengalami kekurangan massa yang sama dalam cluster galaksi Virgo. Perselisihan yang begitu serius adalah mustahil untuk dijelaskan oleh ketidaktepatan pengiraan, jadi para saintis menyimpulkan bahawa Bima Sakti dan beberapa galaksi spiral mengandungi perkara yang tidak bercahaya, yang massanya melebihi jisim bintang. Zwicky ini "tidak dapat dilihat" pada tahun 1933 yang disebut perkara gelap. Ahli astronomi Belanda Jan Oort mencadangkan istilah ini setahun yang lalu, tetapi digunakan untuk menyatakan hipotesis yang salah. Oleh itu, bapa perkara gelap masih dianggap Zwicky.

Alternatif

Untuk waktu yang sangat lama, perkara gelap tidak begitu menarik minat sesiapa pun. Ahli astronomi percaya bahawa masalah jisim tersembunyi akan diselesaikan selepas ia mungkin untuk mengumpul maklumat lengkap tentang gas kosmik dan bintang-bintang yang sangat redup. Keadaan ini mula berubah hanya selepas tahun 1970, ahli astronomi Amerika Vera Rubin dan Kent Ford menerbitkan hasil pengukuran halaju bintang dan awan gas dari galaksi spiral besar M31 – Andromeda nebula. Terhadap semua jangkaan, ternyata jauh dari pusatnya, kelajuan ini adalah berterusan. Beberapa tahun kemudian, mereka menerima data yang sama untuk berpuluh-puluh galaksi lingkaran, dan tidak lama kemudian mereka disahkan oleh penyelidik lain.

Hakikatnya ialah bahawa kelajuan planet yang mengorbit satu bintang bertentangan dengan akar kuadrat dari radius orbitnya – oleh itu, ia berkurang secara mendadak dengan jarak. Ini disebabkan oleh hakikat bahawa daya bintang menurun secara berkurang dengan kuadrat jarak, dan tidak ada sumber lain dari sistem ini. Jisim utama galaksi, sebaliknya, jatuh pada bintang dan kluster gas yang terletak pada jarak yang baik dari terasnya.Oleh itu, halaju objek intragalactic perlu meningkat dengan jarak dari nukleus, mencapai maksimum, dan kemudian menurun kepada nilai yang sangat kecil. Ini adalah masa untuk mengesan dan gagal: selepas lulus maksimum, kelajuan menurun, tetapi mereka tidak cenderung kepada sifar.

Kemudian, anomali lain telah ditemui. Oleh itu, dalam galaksi dim elips, kelajuan bintang di pinggir tidak mahu jatuh sama sekali dan pergi ke nilai had, secara beransur-ansur meningkat. Pada awal 1980-an, ahli astronomi menyyaki bahawa untuk menerangkan dinamik galaksi dan kelompok galaksi, perlu mengambil kira beberapa faktor yang tidak diketahui sebelumnya. Benar, ramai orang telah lama menyalahkan kesan graviti bagi pengumpulan gas yang tidak dapat dilihat dan kerdil putih yang disejukkan pada perbezaan dengan teori, tetapi data ini tidak disahkan pada akhirnya. Oleh itu, selama lebih dari tiga puluh tahun sekarang, dua pendekatan yang mendasar berbeza telah bersaing untuk penafsiran anomali. Yang pertama adalah berdasarkan penulisan semula undang-undang kedua Newton, yang kedua – mencari sumber baru bidang graviti pada skala galaksi.

Adakah Newton betul?

Pada dasarnya, tidaklah sukar untuk menjelaskan penstabilan halaju bintang di sempadan luar galaksi lingkaran. Adalah cukup untuk menganggap bahawa undang-undang Newtonian dunia tidak berfungsi pada jarak raksasa setanding dengan keterpencilan bintang periferal dari pusat galaksi. Katakan bahawa daya tarikan bintang-bintang tersebut ke kawasan tengah galaksi berkurangan dalam nisbah songsang ke jarak, iaitu lebih perlahan berbanding Newton. Dalam kes ini, halaju bintang di pinggir akan tetap dan tidak sifar. Walau bagaimanapun, hipotesis mudah ini membawa kepada kesimpulan yang tidak disokong oleh pemerhatian.

Pada awal 1980-an, ahli fizik Israel Mordechai Milgrom menunjukkan bahawa anomali yang diperhatikan boleh dijelaskan dengan membetulkan undang-undang asas mekanik Newtonian, mengikut mana percepatan berkadar dengan daya yang bertindak ke atas badan. Milgrom mencadangkan bahawa pecutan sangat kecil berkadar tidak memaksa, tetapi kepada akar kuadratnya. Konsep ini dikenali sebagai Modified Newtonian Dynamics (MOND). Berdasarkan itu, protokol pengiraan telah dibangunkan yang membenarkan menjelaskan bukan sahaja kelakuan halaju bintang, tetapi juga banyak ciri lain dari dinamik galaksi.Kemudian, teori Milgrom telah diperkatakan dan diperluaskan dalam kemungkinannya, yang memungkinkan untuk menerangkan kesan penekanan graviti, yang untuk versi pertama MOND kekal sebagai tugas yang tidak dapat diloloskan.

Paradigma MOND terbukti sangat berdaya maju. Sehingga sekarang, dia yakin, walaupun tidak terlalu banyak, penyokong yang terus membaikinya. Walau bagaimanapun, kebanyakan pakar masih percaya bahawa anomali galaksi dapat dijelaskan tanpa percubaan radikal pada asas dinamika Newton, yang memerlukan semakan teori umum relativiti. Pada masa yang sama dengan MOND, paradigma saingan mula terbentuk. Ini berdasarkan hipotesis bahawa zarah-zarah yang masih mengelirukan terlibat dalam mewujudkan bidang graviti galaksi. Mereka kini dipanggil perkara gelap.

Zarah gelap

Zarah-zarah hipotetikal perkara misteri ini datang kepada astronomi dari kosmologi. Empat puluh tahun yang lalu, menjadi jelas bahawa alam semesta kita mempunyai geometri datar atau hampir rata, dan karenanya ketumpatan purata perkaranya tidak sepatutnya berbeza jauh dari 10-29 g / cm3.Walaupun begitu jelas bahawa tidak cukup bahan untuk sains ini. Masalahnya boleh diselesaikan dengan mengandaikan bahawa jisim neutrinos relik banyak adalah kira-kira 20 voltan elektron. Para saintis yang datang ke hadapan dengan idea ini percaya bahawa neutrinos besar terkumpul di sekeliling kelompok galaksi dan mewujudkan bidang intensiti yang diperlukan untuk menstabilkan halaju bintang. Oleh itu buat kali pertama disyorkan bahawa bahan gelap mungkin mempunyai sifat bukan barion, iaitu, bukannya proton dan neutron. Walau bagaimanapun, hipotesis ini tidak disahkan, sejak dari semasa ke semasa ia menjadi jelas bahawa jisim semua tiga jenis neutrinos tidak melebihi sepersepuluh volt elektron.

Walau bagaimanapun, pada tahun 1978, James Gunn dan pengarangnya mencadangkan bahawa zarah-zarah yang stabil secara besar-besaran sifat bukan barion boleh kekal dari Big Bang, yang merupakan masalah gelap. Seperti neutrinos, mereka adalah neutral elektrik dan, oleh itu, tidak boleh memancarkan dan menyerap foton – jika tidak, mereka akan mudah dikesan. Enam tahun kemudian, ditunjukkan bahawa kelompok-kelompok zarah-zarah tersebut boleh membentuk telaga graviti, yang menyumbang kepada pembentukan galaksi dan menstabilkan kelajuan bintang-bintang periferal.Kerana jisim yang besar, zarah-zarah ini sudah berada di tahap kelahiran galaksi pertama (dan sebenarnya lebih awal) wajib bergerak jauh lebih lambat daripada cahaya. Oleh itu, mereka dipanggil sejuk – berbeza dengan neutrinos "panas", bergerak hampir pada kelajuan cahaya. Jadi, pada pertengahan 1980-an, konsep perkara gelap gelap telah muncul, yang masih menguasai.

Ini adalah pengesan bahan gelap LUX (Large Underground Xenon) dipasang di Gua Davis di Makmal Bawah Tanah Sanford di South Dakota di lombong emas pertama di kedalaman 1.5 kilometer

Tiga puluh tahun telah berlalu sejak itu – masa yang agak lama. Pada masa ini, ahli teori datang dengan banyak versi zarah materi gelap (dan bukan hanya yang sejuk), dan penguji direka dan diuji pelbagai pengesan yang dirancang untuk mendaftarkannya. Walau bagaimanapun, perkara masih ada. Mencari boson Higgs mengambil masa selama 23 tahun (1989-2012), dan ia dilakukan pada tiga pencipta: LEP, Tevatron dan BAK. Sejak tahun 1990, perkara gelap telah dicari pada pemasangan sedozen, tetapi setakat ini tidak berjaya.

Calon sejuk

Boson Higgs adalah zarah terakhir yang baru ditemui, yang kewujudannya diramalkan berdasarkan teori dominan microworld – model standard zarah elementer. Zarah-zarah bahan gelap, jika wujud, tidak digambarkan oleh teori ini.Dalam versi yang sejuk, mereka seharusnya tidak relativistik, berinteraksi dengan sangat lemah antara satu sama lain dan dengan perkara biasa dan sama sekali tidak (sebagai cara terakhir hampir) tidak berinteraksi dengan foton. Pada masa yang sama, mereka mesti membuat bidang bijirin, seperti zarah model standard. Oleh itu, mereka dipanggil lemah berinteraksi zarah-zarah besar-besaran, atau wimps (Partikel-zarah Massa yang Sangat Kerap Interaktif, WIMP).

Oleh kerana pengiraan model menunjukkan, wimps boleh puluhan atau, lebih mungkin, ratusan atau ribuan kali lebih berat daripada proton. Ada kemungkinan bahawa mereka akan ditemui, jika tidak di LHC, kemudian di supercollider generasi baru dengan jumlah tenaga perlanggaran sebanyak 100 TeV (kira-kira 100,000 orang proton), pembinaannya akan bermula selepas tahun 2020.

Pemohon yang paling popular untuk gelaran wimps dicadangkan berdasarkan teori supersimetri. Dia mendakwa bahawa setiap zarah model standard mempunyai superpartner yang dipanggil (atau superpartner) yang berputar ½ berbeza dari sendiri. Oleh itu, zarah dengan spin setengah integer, fermion, sesuai dengan super rakan kongsi dengan spin integer, boson, dan boson super-rakan adalah fermions. Superparticles boleh mereput, tetapi yang paling mudah mereka mesti stabil.Bahawa ia dianggap calon terbaik untuk peranan zarah-zarah gelap dan cuba mendaftar dalam kebanyakan eksperimen. Daripada semua teori yang boleh difikirkan seperti zarah itu, pakar-pakar lebih suka neutralino, campuran kuantum super foton, foton Z-boson dan Higgs.

Wimps dan visps

Sejarah pencarian yang tidak berjaya dari wimps adalah panjang dan menarik, seperti novel detektif yang baik, tetapi kita akan menghadkan diri kepada dua peristiwa. Pada April 2013, para peserta Kerjasama CDMS melaporkan mengenai kemungkinan pendaftaran tiga perlanggaran WIMP dengan nukleus silikon dalam pengesan kriogenik yang dipasang pada kedalaman 700 m di lombong lama di Minnesota. Hanya enam bulan kemudian, maklumat ini ditolak secara tegas oleh ahli-ahli kumpulan LUX, yang bekerja dengan pengesan pada xenon cair yang dikumpulkan pada kedalaman 1,480 m di lombong Homestake di South Dakota, ditutup pada tahun 2002. Hasil sifar mereka secara amnya menimbulkan keraguan pada kewujudan wimps cahaya dengan massa dari 20 hingga 100 GeV, kerana dalam rangkaian ini pengesan projek LUX adalah yang pertama di dunia dari segi kepekaan. Satu kitaran pengukuran 300 hari yang baru sedang disediakan, hasilnya menunggu saintis dengan tidak sabar.Kumpulan yang sama bekerja pada penciptaan pengesan LZ untuk 7 tan xenon, yang boleh ditugaskan pada tahun 2019.

Lihat sekelip mata

Wimps dicari oleh kaedah langsung dan tidak langsung. Carian langsung bertujuan untuk mengenal pasti perlanggaran mereka dengan nukleus perkara biasa, yang berfungsi sebagai badan pengesan.

Dalam 1 m3 ruang berhampiran permukaan bumi dari beberapa ratus hingga beberapa ribu wimps. Semasa perlanggaran, mereka kehilangan sebahagian daripada tenaga kinetik dan memberikannya kepada pengesan. Walaupun perlanggaran tersebut berlaku hanya beberapa kali sehari, dan tenaga yang dilepaskan sangat kecil, ia boleh didaftarkan dan dipisahkan dari perlanggaran dengan sinar kosmik dan radionuklid daratan.

Terdapat tiga cara utama untuk secara langsung mendaftar wimps.

1. Apabila nukleus melantun, cahaya quanta (scintillation) boleh dipancarkan, yang akan dikesan oleh photomultipliers.

2. Apabila berlanggar dengan VIMP, atom boleh menjadi ion, kehilangan beberapa elektron yang dapat dikesan.

3. Jika bahan pepejal digunakan sebagai medium kerja, tabrakan mengagumkan ayunan kisi kristalnya, yang juga dapat dikesan (untuk mengasingkannya dari latar belakang termal, kristal mesti disejukkan kepada sifar hampir mutlak).Dalam eksperimen sebenar, kaedah ini boleh digabungkan.

Pengesan Xenon. Pengesan WIMP yang paling sensitif adalah pemasangan xenon cecair. Mereka menggunakan pendekatan gabungan: kedua-dua fottonil dan elektron pengionan direkam, yang membolehkan pengenalpastian interaksi dengan pelbagai zarah mengikut masa dan kedudukan relatif peristiwa-peristiwa ini, menyaring "bunyi" (perlanggaran dengan zarah yang diketahui) dan memilih antara peristiwa-peristiwa yang sesuai untuk skim interaksi dengan zarah perkara gelap.

Pencarian tidak langsung untuk perkara gelap biasanya bertujuan untuk mendaftarkan gamma quanta, yang dapat dilahirkan dalam pelanggaran wimps di dalam ruang, di dalam matahari, dan bahkan di kedalaman bumi. Oleh kerana sifat WIMP tidak diketahui, tiada siapa tahu apa yang perlu dicari dan bagaimana mentafsirkan hasilnya. Walau apa pun, belum ada jawapan yang konkrit.

Kekurangan kemajuan dalam pencarian wimps pada tahun-tahun kebelakangan ini telah meningkatkan minat dalam keluarga yang lain tentang calon perkara gelap, cahaya, zarah yang berinteraksi lemah – lemah Partikel-partikel Slim yang lemah (WISP).Perhatian yang paling besar diberikan kepada anjakan, yang pada tahun 1977 dicipta oleh Roberto Peccei dan Helen Quinn. Ahli fizik ini cuba menyelesaikan masalah agak tidak menyenangkan teori interaksi nuklear yang kuat – kromodinamik kuantum. Persamaan asasnya tidak termasuk pemeliharaan simetri CP, yang memberikan imej cermin dan mengubah zarah-zarah untuk antipartikel. Pelanggaran simetri harus membawa kepada kemunculan momen elektrik dipole dalam neutron, yang tidak diperhatikan dalam percobaan. Peccei dan Quinn mencadangkan model cantik yang menghilangkan percanggahan ini. Ia membayangkan kewujudan zarah stabil cahaya yang tidak membawa caj elektrik, tetapi dalam medan magnet yang kuat, ia akan mempengaruhi penampilan foton. Ini adalah axions. Ahli kosmologi kemudian menunjukkan bahawa paksi boleh menjadi calon yang boleh diterima untuk zarah materi gelap.

Pergeseran harus lebih ringan daripada neutrinos – menurut anggaran teoritis, massa mereka diukur hanya pada sejuta voltan elektron. Cukup aneh, pada masa yang sama mereka bergerak pada kelajuan yang tidak relativistik – ini masih merupakan versi "sejuk" perkara gelap.Sebilangan besar zarah tersebut boleh dilahirkan tidak lama selepas Big Bang dan memberikan massa yang hilang. Mencari mereka sejak awal tahun 1990 – dan sekali lagi tidak berjaya.

Mencari kemudahan

Salah satu calon yang menjanjikan untuk tajuk perkara gelap ialah axion, yang paling terkenal dengan zarah-zarah berinteraksi lemah (WISP). Cahaya ini (kira-kira sejuta voltan elektron) zarah tidak dicairkan yang stabil, secara teorinya diramalkan dalam rangka chromodynamics kuantum untuk menjelaskan ketiadaan pemecahan CP-simetri, adalah sukar untuk dikesan, tetapi dalam medan magnet yang kuat, axion dapat mempengaruhi penampilan foton. Kesan ini digunakan dalam eksperimen untuk mencari axions, yang boleh dikatakan konvensional dipanggil "cahaya melalui dinding": radiasi laser diarahkan ke dinding legap, di hadapannya (dan di belakangnya) magnet superkonduktor dihasilkan, menghasilkan medan magnet yang kuat. Ada kemungkinan bahawa foton dalam medan magnet yang kuat di hadapan dinding "ditukar" menjadi axion, yang melewati halangan, dan kemudian "ditukar" menjadi foton, yang sudah dapat dikesan menggunakan pengesan yang sangat sensitif.

Pengeksperimen mula mencari beberapa tahun yang lepas.Pada tahun 2007, eksperimen di makmal pemecut Jerman DESY melancarkan eksperimen Mana-mana Carian Zarah Cahaya, ALPS-I, yang siap pada tahun 2010. Pada masa ini, DESY menyediakan eksperimen ALPS-II yang lebih cekap, yang mungkin memungkinkan untuk mencari bukti kewujudan zarah cahaya yang berinteraksi dengan lemah "border = 0>

Pengeksperimen mula mencari beberapa tahun yang lepas. Pada tahun 2007, eksperimen di makmal pemecut Jerman DESY melancarkan eksperimen Mana-mana Carian Zarah Cahaya, ALPS-I, yang siap pada tahun 2010. Pada masa ini, DESY menyediakan eksperimen ALPS-II yang lebih cekap, yang mungkin memungkinkan untuk mencari bukti kewujudan zarah cahaya yang berinteraksi dengan lemah.

Terdapat versi lain dari bahan gelap – zarah relik super-berat, lubang hitam relik, superpartner axion (axios) atau gravitons (gravitino), dan "perkara cermin". Tetapi ini adalah eksotik yang tulen.

Peralatan dan wang

"Untuk mencari perkara gelap, pengesan pelbagai jenis yang sangat cekap telah dicipta," kata Professor David Klein, penganjur persidangan antarabangsa Dark Matter 2014, yang diadakan di University of California di Los Angeles pada bulan Februari 2014.- Sekarang adalah perlu untuk meningkatkan kepekaan mereka, yang bergantung kepada jisim badan kerja. Percubaan kumpulan LUX belum diberikan apa-apa, tetapi pemasangannya mengandungi hanya 370 kg xenon. Tetapi kerjasama DARWIN sedang membangunkan pengesan xenon 25 tan. Peluang terbaik, pada pendapat saya, adalah pengesan gas mulia yang cair – argon dan xenon. Kami telah berjaya meningkatkan keupayaan mereka dengan empat hingga lima pesanan magnitud, dan pada tahun-tahun akan datang kita boleh mengharapkan melompat tiga hingga empat pesanan magnitud. Di kawasan ini, para peneliti mendahului para ahli teori. "

Pada masa yang sama, pencarian axions praktikal terhenti. Dan bukan mengenai teknologi, tetapi tentang wang. Sekiranya axion wujud, ia boleh didaftarkan hanya dalam medan magnet yang sangat kuat, di mana ia memulihkan foton maya ke dalam yang sebenar. Untuk ini, magnet 18-tesla di pasaran akan menjadi sempurna, dan lebih baik – magnet eksperimen 32-tesla. Mereka memerlukan banyak wang, dan mereka tidak begitu mudah untuk mendapatkannya. Mereka yang membiayai bidang fizik ini di Amerika Syarikat tidak benar-benar mempercayai kewujudan axions, sedangkan di negara lain, mereka praktikal tidak terlibat dalamnya. Sekarang di University of Seattle, eksperimen ADMX sedang disediakan, peserta yang akan cuba untuk mengesan axions menggunakan magnet superkonduktor dengan kekuatan medan sekitar 8 T.Dalam medan sedemikian, isyarat sangat lemah dijangka dari axion, dan mereka boleh dicari selama-lamanya. "Jadi di sini, – kata Professor Kline, – keputusan cepat tidak boleh menunggu."

David Klein percaya bahawa calon terbaik untuk zarah materi gelap adalah neutralino dengan massa dari 500 hingga 1000 GeV. Pengesan LUX mempunyai kepekaan tertinggi sekitar 30 GeV, jadi ia tidak menghairankan bahawa dia tidak menemui apa-apa. Walau bagaimanapun, pada tahun 2015, pengesan untuk 1-3 tan xenon akan ditugaskan, peluang kejayaannya sudah lebih tinggi. Dan kemudian akan ada pemasangan yang lebih berkuasa, yang mana masa depannya.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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