Bagaimana untuk mencari perkara yang gelap

Bagaimana untuk mencari perkara yang gelap

Hayk Hakobyan
"Mekanik Popular" №3, 2016

"Prinsip penyelidikan lama saya adalah untuk menghilangkan semua anggapan yang mustahil, maka apa yang tersisa adalah benar, tidak kira betapa tidak mungkin," kata detektif terkenal Sherlock Holmes. Itulah kaedah saintis mencari bahan gelap.

Model standard yang menerangkan interaksi asas (elektromagnetik, lemah dan kuat) zarah-zarah asas yang diketahui (leptons, kuark dan bosons) adalah teori yang disahkan dengan eksperimen. Walau bagaimanapun, ia menerangkan hanya kira-kira 5% daripada bahan sedia ada, manakala baki 95% adalah sifat yang tidak diketahui sepenuhnya. Kita hanya tahu bahawa 95%, yang disebut jisim tersembunyi atau "materi gelap", terlibat dalam interaksi graviti dengan perkara biasa.

Tetapi bukankah kita mengikuti nama itu sendiri? Mungkin tidak ada perkara yang gelap, tetapi hanya teori graviti yang tidak berfungsi pada skala sedemikian? Dan jika dia, dalam zarah apa yang bersembunyi? Dan bagaimana untuk mencari "Saya tidak tahu apa"? Untuk ini, sains moden menggunakan prinsip yang dirumuskan oleh Sherlock Holmes: "Jatuhkan semua yang mustahil, dan apa yang kekal adalah jawapan, tidak kira betapa tidak mungkin."Fenomena jisim tersembunyi dapat dijelaskan oleh sejumlah besar kemungkinan dan tidak mungkin, yang sesuai dengan teori moden dan hipotesis yang bertentangan dengannya. Walau bagaimanapun, hakim yang memaparkan semua pilihan yang mustahil adalah pemerhatian dan percubaan.

Riddle daripada "jisim tersembunyi"

Pada tahun 1933, ahli astronomi Amerika Fritz Zwicky menjelajah sekelompok galaksi rambut Veronica. Zwicky menganggarkan jisimnya dengan mengira bilangan galaksi anggaran dalam kumpulan dan bilangan bintang di galaksi, dan dia memperoleh nilai kira-kira 1013 massa matahari. Dia juga memutuskan untuk menguji anggaran ini dengan cara yang berbeza dengan mengukur kelajuan galaksi: semakin tinggi kelajuan, semakin besar daya graviti yang bertindak pada galaksi, dan semakin besar jisim keseluruhan kumpulan. Jisim yang dikira oleh Zwicki dengan kaedah ini ternyata 5 × 1014 massa matahari, yaitu 50 kali lebih banyak. Perbezaan seperti itu pada masa itu tidak diambil terlalu serius, kerana para astronom mempunyai sedikit maklumat tentang bintang-bintang debu, gas, dan bintang kerdil. Kemudian ia dipercayai bahawa jisim tambahan ini mungkin bersembunyi di dalamnya.

Hipotesis 1: habuk dan gas interstellar

Pada tahun 1970, Vera Rubin dan Kent Ford mengkaji pergantungan bintang-bintang pada jarak jauh dari pusat galaksi Andromeda (keluk rotasi yang dipanggil). Oleh kerana bahagian utama bintang-bintang tertumpu berhampiran pusat galaksi, adalah logik untuk mengandaikan bahawa bintang lebih jauh dari pusat, lebih kurang haruslah daya graviti yang bertindak di atasnya, dan yang kurang sepatutnya kelajuannya. Walau bagaimanapun, ternyata bahawa bagi bintang-bintang di pinggir seperti undang-undang tidak berpuas hati dan lengkung mencapai dataran tinggi.

Keluk putaran galaksi adalah plot dari halaju orbital bintang dan gas dalam galaksi sebagai fungsi jarak ke pusatnya. Pemerhatian menunjukkan bahawa sebagai jarak dari pusat carta berjalan di dataran tinggi

Ini bermakna bahawa jisim utama, yang menjejaskan putaran bintang-bintang, tidak hanya tersembunyi, tetapi diedarkan walaupun ke pinggir atau lebih jauh. Kemudian, lengkung yang sama telah ditarik untuk pelbagai galaksi dengan keputusan yang sama. Untuk banyak galaksi elips, lengkung ini bukan sahaja tidak jatuh, tetapi juga meningkat. Ternyata kebanyakan jisim (lebih dari 90% secara purata) tidak terkandung dalam bintang, dan jisim tersembunyi ini diagihkan jauh melampaui kawasan cakera galaksi dalam bentuk halo sfera.

Debu dan awan antara bintang tidak lagi dapat menjelaskan kehadiran jisim tersembunyi: zarah habuk atau molekul gas disebabkan oleh interaksi antara satu sama lain, geseran dan radiasi akan kehilangan tenaga dan secara beransur-ansur mengalir dari pinggir ke pusat. Oleh itu, hipotesis sifat habuk gas harus dibuang.

Hipotesis 2: objek astrofizik yang lemah memancar

Hipotesis yang ringkas dan jelas berikut menunjukkan bahawa jisim laten boleh disertakan dalam beberapa objek astrofizikal (MACHO). Objek Halo Compact MAssive), seperti kerdil putih, merah atau coklat, bintang neutron, lubang hitam, atau planet besar seperti Musytari. Oleh kerana saiz kecil dan kilauan rendah, benda-benda ini tidak dapat dilihat melalui teleskop, dan, kemungkinan besar, terdapat banyak daripada mereka yang memastikan kehadiran massa tersembunyi ini.

Tetapi jika mereka tidak dapat dilihat melalui teleskop, bagaimana mereka dapat dikesan? Apabila objek besar-besaran malu (MACHO) berada di antara pemerhati darat dan objek yang kelihatan terang, ia berfungsi seperti lensa graviti, dan objek diperhatikan semakin cerah. Fenomena ini dinamakan microlensing graviti. Kehadiran MACHO akan membawa kepada banyak peristiwa microlensing.Walau bagaimanapun, pemerhatian dari teleskop Hubble menunjukkan bahawa terdapat sedikit kejadian dan jika objek tersebut wujud, jisimnya kurang daripada 20% daripada jisim galaksi, tetapi tidak 95%.

Selain itu, pemerhatian terhadap latar belakang relik kosmik memungkinkan untuk menganggarkan bilangan baryon (proton dan neutron) secara tepat dengan tepat yang boleh dilahirkan di Universe awal semasa tempoh nukleosintesis. Anggaran yang didapati menunjukkan bahawa perkara baryonic yang kita lihat (bintang, gas, awan debu) adalah bkira-kiraKebanyakan semua perkara baryonic di alam semesta kita. Oleh itu, jisim laten tidak boleh terdiri daripada baryon.

Hipotesis 3: graviti diubahsuai

Dan bagaimana jika tidak ada jisim tersembunyi sama sekali? Ini agak mustahil jika, sebagai contoh, teori graviti, yang kita gunakan, pada skala tersebut tidak betul.

Semakin besar daya graviti yang bertindak pada objek (dalam kes ini, galaksi atau bintang individu), semakin besar percepatannya (undang-undang Newton yang kedua diketahui oleh semua orang sejak sekolah) dan, dengan pantas, mempercepatkan, kerana pecutan centripetal adalah berkadaran dengan segi empat kelajuan. Dan jika anda membetulkan undang-undang Newton? Pada tahun 1983, ahli fizik Israel Mordechai Milgrom mencadangkan hipotesis MOND (Dinamikan Newtonian dinamik), di mana undang-undang Newton agak diperbetulkan untuk kes apabila pecutan cukup kecil (10−8 cm / s2). Pendekatan ini jelas menjelaskan keluk giliran yang diperoleh oleh Rubin dan Ford, dan keluk putaran yang semakin meningkat untuk galaksi elips. Walau bagaimanapun, dalam kelompok, di mana percepatan galaksi lebih besar daripada percepatan bintang individu, MOND tidak membuat sebarang pembetulan untuk perkara gelap, dan persoalan itu masih terbuka.

Terdapat percubaan lain untuk mengubahsuai teori graviti. Sekarang terdapat teori teori yang luas, yang dipanggil formalisasi post-Newtonian yang berparameter. Setiap teori individu digambarkan oleh sepuluh parameter standardnya sendiri yang menentukan sisihan dari graviti "biasa". Sesetengah teori ini benar-benar menjelaskan masalah jisim tersembunyi, tetapi masalah lain muncul, seperti foton besar atau kromatik lensa graviti (pergantungan sudut penyimpangan cahaya pada frekuensi), yang tidak dipatuhi. Walau bagaimanapun, tidak ada teori-teori ini yang belum disahkan oleh pemerhatian.

Oleh itu, daripada banyak hipotesis yang tidak bercanggah dengan eksperimen, hanya satu kemungkinan, walaupun eksotik, kekal: perkara gelap adalah sejenis sifat non-bionik.Terdapat banyak calon seperti itu dalam teori, tetapi mereka dibahagikan kepada dua kumpulan utama – perkara gelap dan panas gelap.

Zat petrol bahan gelap. Pada masa ini, banyak hipotesis gelap (objek besar-besaran yang dimatikan, teori graviti diubahsuai) ditolak oleh pemerhatian, dan zarah yang lemah berinteraksi adalah calon utama.

Hipotesis 4: perkara gelap panas

Perkara gelap panas adalah zarah cahaya yang bergerak pada kelajuan dekat dengan kelajuan cahaya. Calon paling jelas untuk peranan ini adalah neutrino yang paling biasa. Zarah-zarah ini mempunyai jisim yang sangat kecil (sebelum ini dipercayai bahawa jisim adalah sifar), dilahirkan di kedalaman bintang-bintang dan pembentukan bintang-bintang semasa pelbagai proses thermonuklear dan hampir tidak berinteraksi dengan bahan baryon. Walau bagaimanapun, memandangkan jumlah neutrino yang kita ada di Universe, untuk menerangkan dengan bantuan masalah gelap mereka adalah perlu bahawa jisimnya menjadi sekitar 10 eV. Tetapi data eksperimen menunjukkan bahawa jisim neutrino tidak melebihi pecahan satu elektron-volt, yang seratus kali lebih kecil, jadi pilihan ini seolah-olah hilang.Calon lain yang mungkin untuk gelaran perkara gelap adalah kononnya neutrino steril, varian neutrino keempat yang hipotetikal yang tidak terlibat dalam interaksi lemah. Bagaimanapun, zarah dalam eksperimen belum ditemui, dan fakta kewujudannya masih dipersoalkan.

Pemerhatian kosmologi tahun-tahun kebelakangan ini menunjukkan bahawa perkara gelap panas (jika ada) boleh tidak lebih dari 10% daripada semua perkara gelap. Hakikat bahawa pelbagai jenis bahan gelap menunjukkan senario yang berbeza untuk pembentukan galaksi. Dalam senario perkara gelap panas (top-down, dari atas ke bawah) akibat daripada evolusi, kawasan besar yang dipenuhi dengan bahan terbentuk pertama, yang kemudiannya runtuh menjadi kelompok kecil yang terpisah dan akhirnya berubah menjadi galaksi. Dalam senario perkara gelap gelap (bottom-up, bottom-up), pertama, galaksi kerdil kecil dan kluster terbentuk, yang kemudian membentuk struktur yang lebih besar. Pemerhatian dan simulasi komputer menunjukkan bahawa senario ini sebenarnya direalisasikan dalam Alam Semesta kita, yang menunjukkan penguasaan yang jelas terhadap perkara gelap yang gelap.

Hipotesis 5: perkara gelap sejuk

Hipotesis perkara gelap gelap hari ini dianggap paling mungkin. Zarah hipotetikal perkara gelap gelap adalah lambat (tidak relativistik), mereka berinteraksi dengan sangat lemah antara satu sama lain dan dengan perkara biasa dan tidak memancarkan foton. Mereka terbahagi kepada zarah besar yang berinteraksi (WIMP – lemah berinteraksi zarah besar-besaran) dan zarah cahaya yang berinteraksi lemah (WISP – lemah berinteraksi zarah tipis).

WIMP pada dasarnya adalah zarah dari teori supersymmetry (rakan kongsi supersymmetric zarah-zarah biasa Model Standard) dengan massa yang lebih besar daripada beberapa kiloelektronolol, seperti photino (photon superpartner), gravitino (hipotetikal graviton superpartner), dan sebagainya. Para saintis WIMP kini menganggap neutralinos sebagai "campuran" kuantum Z-boson, foton, dan superparties Higgs boson.

Wimpy dalam xenon

Pencarian WIMP didasarkan pada hakikat bahawa walaupun mereka sangat lemah, mereka masih berinteraksi dengan perkara biasa.

Apabila berlanggar dengan nukleus bendalir bekerja di pengesan, foton boleh dipancarkan (kerintingan), yang boleh didaftarkan menggunakan photomultipliers. Di samping itu, Wimps boleh mengionkan atom-atom dalam medium kerja, yang juga boleh dikesan.Kedua-dua kaedah ini biasanya digabungkan dengan bunyi bising – interaksi dengan zarah lain, sinaran kosmik, dan lain-lain – dan hanya menyerlahkan peristiwa yang menyerupai perlanggaran dengan zarah-zarah gelap. Kerana cecair kerja biasanya digunakan cecair xenon. Satu cubaan untuk mengesan zarah besar yang berinteraksi dengan lemah (WIMP) dalam percubaan LUX menggunakan kolam yang diisi dengan 400 kg xenon cair tidak berjaya, tetapi sekarang percubaan DARWIN baru sedang disediakan.

Ia akan menggunakan 25 tan xenon untuk mengesan WIMP.

Calon utama dari kumpulan WISP adalah axion yang timbul dalam teori interaksi yang kuat dan mempunyai massa yang sangat kecil. Ini sangat ringan (sejuta voltan elektron) zarah stabil dan elektrik neutral boleh dalam medan magnet yang sangat kuat menjadi pasangan photon-photon, yang memberi gambaran tentang bagaimana anda boleh cuba mengesannya dalam eksperimen.

Melihat halangan

Di dalam filem terkenal "Wizards", diterangkan resipi untuk melewati dinding: "Untuk melihat matlamat, untuk mempercayai diri sendiri dan tidak melihat halangan"

Mengikut skim yang sama, ia dirancang untuk mencari axion – zarah yang tidak dicairkan cahaya, yang diramalkan dalam kerangka kromodinamik kuantum.Aksion berinteraksi dengan lemah dengan bahan baryon, oleh sebab itu, saintis meletakkan harapan utama mereka pada tingkah lakunya dalam medan magnet yang sangat kuat. Sekiranya sinaran laser diarahkan ke tembok legap, di kawasan yang mana medan magnet yang sangat kuat (puluhan tesla) dicipta menggunakan magnet superkonduktor, foton dalam bidang ini boleh beralih menjadi axion yang akan melalui dinding ini secara literal "tanpa perasan" dan sekali lagi menjadi foton. Adalah jelas bahawa kejadian sedemikian jarang berlaku, tetapi mereka dapat dikesan dengan bantuan pengesan yang sensitif.

Pada tahun 2007, percubaan selama tiga tahun bermula di makmal pemercik DESY Jerman. Mana-mana Carian Zarah Cahaya, ALPS-I, dan eksperimen ALPS-IIa dilancarkan tiga tahun yang lalu, penerusan yang (ALPS-IIc) dijadualkan untuk tahun-tahun akan datang. Percubaan ADMX (EXperiment Axion Dark Matter) dan kesinambungan semasa ADMX-HF (Kekerapan tinggi) Pusat Fizik dan Astrofizik Nuklear Eksperimental (CENPA) di Universiti Washington juga menggunakan medan magnet kuat magnet superkonduktor, di mana paksi mesti menjadi foton.

Walau bagaimanapun, walaupun banyak percubaan, pada masa ini tidak mungkin untuk mengesan WIMP, axions atau neutrinos steril.Walau bagaimanapun, hasil negatif dalam sains juga merupakan hasil yang penting, kerana ia membenarkan penapisan beberapa zarah tertentu, sebagai contoh, untuk mengehadkan pelbagai kemungkinan massa. Dari tahun ke tahun, pemerhatian dan eksperimen yang lebih baru dan lebih baru dalam pemecut memberi batasan baru yang lebih ketat pada massa dan parameter lain zarah gelap. Oleh itu, setelah membuang semua pilihan yang mustahil dan menyempitkan bulatan carian, kita semakin dekat untuk memahami apa 95% perkara dalam Alam Semesta kita terdiri daripada.


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: :???: :?: :!: