Само за комплекса е, че тъмната материя е и къде да го намеря

Теоретично конструкт по физика наречен Стандартния модел описва взаимодействието на всички известни елементарни частици. Но това е само 5% от съществуващата материя във Вселената, а останалите 95% са напълно неизвестен характер. Каква е тази хипотетична тъмната материя и как учените се опитват да го открие? Това е в рамките на специалния проект "Fiztekh. Reader ", казва Хайк Хакобян, MIPT студент и служител на отдела по физика и астрофизика.

Стандартният модел на елементарните частици, накрая потвърждава при откриване Higgs, описва основните взаимодействия (електрослабите и здрави) на известни конвенционални частици: лептони, извара и вектори взаимодействието (бозони и глуони). Въпреки това, се оказва, че всичко това огромен комплекс теория описва само около 5-6% от цялата материя, докато останалата част на този модел не се вписва. Наблюдения на най-ранните моменти от живота на нашата Вселена ни показва, че около 95% от материята, която ни заобикаля, е напълно непозната природа. С други думи, ние индиректно видите наличието на тъмна материя, защото на гравитационното влияние, но направо да го хване, докато не успеем. Това явление на скрита маса получил кодовото име "тъмна материя".

Съвременната наука, особено космологията, работи на дедуктивния метод на Шерлок Холмс

Експеримент LUX. в които учените се опитват с помощта на мивка, пълна с 400 кг течен ксенон, хвана частици тъмна материя - WIMPs, слабо взаимодействащи масивни частици - дойдоха нищо олово. Сега се подготвя да пусне нов експеримент - Дарвин, в която смятате да използвате 25-тона тегло на ксенон за откриване WIMP (виж Фигура 1 ..). От друга страна, ADMX експеримент. насочено към разкриване на други (много пъти повече от теглото на белите дробове) кандидати за тъмна материя, хипотетичната Axion, също не е дал никакви резултати.

експерименти за монтаж LUX (вляво) и ADMX (вдясно)

В резултат на това мълчание възниква детектори напълно естествено въпрос е защо ние търсим тези частици, защо не нещо друго? Защо е тази маса не може да се скрие в други частици, известни за нас, или обекти? Възможно ли е да отидем всички на около кодовото име, което е, не може да го бъде, че няма тъмна материя, а не на всички, само на теория на гравитацията се провали и не работи в такъв мащаб? Как учените може да бъде толкова сигурен в себе си?

Фактът, че съвременната наука, особено в областта на космологията, работи на дедуктивния метод на Шерлок Холмс. Първоначално тя може да бъде огромен брой вероятни и невероятно, обща и екзотично, се вписват в съвременната теория и противно на ИТ хипотези, като обясни явление. Въпреки това, обективен съдия, пресее през всички опции невъзможно хипотеза, тя е най-прост наблюдението и експеримента. Спазването на наблюдения - основните критерии, които трябва да бъдат изпълнени от всяка научна теория. С други думи, ако ние изхвърлете всички невъзможно хипотезата, останалите, без значение колко парадоксално и невероятно да е, и това е вярно. Наука работи, как разследването на престъплението, където всяко парче на доказателства, а заподозрените имат алиби решаващо тегло. Тук искам да говорим само за тези пресяват хипотези да се обясни защо толкова дълго и скъпо търсене на WIMP и Axion са под много солидна основа.

Първите наблюдения, или местопрестъплението

За първи път странен феномен открили американски астроном Цвики през 1933. Той изследва клъстер от галактики Кома (Coma Cluster) и е установено, странно разминаване. Фактът, че масата на галактиката се измерва по два начина. В първия случай, можете просто да се преброят на галактиките в клъстера, за да преценим приблизителното им тегло от звезди (знае за масата на всеки) и само да добавите масата на всички галактики. Той се обърна 1013 (в слънчеви маси). Във втория случай е възможно да се измерват скоростите на галактики: колкото по-висока скорост, по-голяма гравитационната сила действа върху галактиката, и по-голяма от общата маса на клъстера. Така че е възможно отново с някои точност да се изчисли масата на клъстера и този път Zwicky получи 5 × 1014, което е 50 пъти повече.

Заподозрян №1: междузвезден прах / газ

Това разминаване в момента не е предизвикало голям отзвук в научния свят, тъй като наблюденията са по принцип много малка и, съответно, не разполагат с достатъчно информация за междузвезден прах, газове, джуджета. След това се е смятало, че това допълнително тегло може да се скрие в тях.

В своята дейност през 1970 г. Вера Рубин и Кент Ford учи за Андромеда зависимост от скоростта на звездите от тяхната отдалеченост от центъра на галактиката (т.нар въртене крива). Тъй като по-голямата част от звездите са концентрирани в близост до центъра на галактиката, е логично да се предположи, че колкото по-далеч от центъра на звездата, толкова по-малко трябва да е гравитационната сила действа върху него, и по-малката трябва да е неговата скорост. Въпреки това, се оказа, че в продължение на звездите в периферията на такъв закон не е изпълнено и кривата достига постоянна стойност (вж. Фиг. 2).

крива въртене на галактиката Андромеда (от статия от V. Rubin, Kent Ford Jr. 1970)

Това означава, че по-голямата част от които се отразява на въртене на звездата, а не само скрити от нас. Той се разпространява до периферията, а може би дори по-далеч. По-късно, подобни криви са изготвени за различни галактики с абсолютно същия резултат. В продължение на много елиптични галактики, тези криви са не просто няма да паднат, но също са се увеличили, което означава, че по-нататък звездата е от центъра, толкова по-голяма е неговата скорост. Оказва се, че по-голямата част от масата (средно 90%) не е в звездите и тази скрита маса се разпространява далеч област галактическия диск под формата на сферичен ореол (вж. Фиг. 3). (Хало - оптичен феномен осветен пръстен около обекта - източник на светлина -. Ed.).

Сравнете областта на скритата маса и размери на галактиката

Междузвезден прах и газ облаци сега не могат да обяснят наличието на скрита маса. Фактът, че все пак и прах и газ има вътрешен взаимодействие: поради триене на емисиите на частици прах или газови молекули ще загубят енергия натрупване постепенно от периферията към центъра. В резултат на това, ние не би трябвало огромен ореол, простираща се далеч отвъд галактиката, и натрупването на материал в центъра на града. Следователно, хипотезата се опровергава от естеството на газ и прах.

Заподозрян №2: слабо излъчващи астрофизични обекти

След простотата на очевидната хипотеза беше, че скритата част на масата може да се заключи в рамките на няколко добре известни астрофизични обекти (английски Мачо -. Масивна астрофизически компактен ореол обект), като слаби или изчезнали звезди, бели, кафяви джуджета, неутронни звезди, черни дупка или масивна Юпитер като планета. тези обекти не могат да се видят с телескоп, и, доста вероятно, така че много от тях, защото на малкия и слабата им светимост, че те се гарантира наличието на липсващата маса.

Когато нисък светлинен масивен обект преминава в полето на изглед, виждаме един обект се намира зад такава звезда става по-светъл заради гравитационното леща на светлина (виж. Фиг. 4). Това явление се нарича гравитационен microlensing. Наличието на такъв MACHO трябвало да доведе до огромен брой microlensing събития. Въпреки това, наблюдения на орбиталния телескоп Хъбъл показват, че такива събития изключително малка, а ако такива обекти MACHO е, тяхната маса е по-малко от 20% от масата на галактиките, но не и 95%.

Star microlensing обект MACHO

Освен това, всички тези опровержения късно са подкрепени от наблюденията на космическия микровълнов фон. Фактът, че тези наблюдения са ясно ограничение за броя на барионите (протони, неутрони и всичко, което се състои от кварки), които биха могли да се роди в началото на Вселената по време на ядрен синтез (формирането на атомните ядра - Ед ...). В частност, той ни казва, че това барионна материя (всички светещи звезди, газ и облаци от прах) - това е най-малко мнозинство от всички барионна материя във Вселената и следователно скрита тегло не може да се състои от бариони ,

Заподозрян №3: модифицирани теории

Обратно в началото на историята: какво ще стане ако всички допълнителни тегло не е? Какво става, ако ние просто трябва малко по-различна работна теория за гравитацията или законите на Нютон?

В самото начало, ние казахме, че по-голямата гравитационната сила действа върху обект (в този случай - една галактика или една звезда), по-голямата му ускорение (закон на Нютон) и, съответно, на скоростта, тъй като центростремителна ускорението е пропорционална на квадрата на скоростта. Но какво, ако правилното закон на Нютон? През 1983 г. израелски физик Мордехай Milgrom предложената хипотеза МОНД (с промени нютонова динамика), в който закон на Нютон е леко Коригирани за случая, когато ускорението са достатъчно малки (10-8 cm / s2).

Този подход е добре обяснено криви въртене получени Рубин и Ford, и увеличаване на кривите на въртене за елиптични галактики. Въпреки това, на тъмната материя галактични купове, където скоростта до много по-ускоряване на отделни звезди, МОНД не се изменя, както и въпросът остава отворен. Друг подход е предложено в многобройни опити за промяна на теорията за гравитацията. Сега има голямо клас теории, наречени зададат параметрите на пост-Нютоновата формализъм, където всеки един теория описва свой собствен набор от 10 стандартни параметри, за да се обясни на отклонение от нормалната гравитация.

Някои от тези теории наистина премахва проблема с скрита маса, но да доведе до други проблеми. Например, масивна фотони или хроматичната гравитационното обектив (в зависимост от честотата на отклонението на светлината), която, разбира се, не се поддържа от наблюдения. Във всеки случай, нито един от тези теории все още не са потвърдени от наблюдения. По този начин, на всички възможни хипотези, че има само един възможен (въпреки че първоначално екзотично), не противоречи на експеримента: тъмна материя - е някакъв вид не-барионна частици на природата (т.е. не се състои от кварки). Такива кандидати в теория, има много (виж фигура 5 ..), но те се разделят на две основни групи - топла и студена тъмна материя.

Кандидатите за ролята на тъмната материя, сортирани по тегло (от една статия от В. Trimble, 1987)

Заподозрян №4: гореща тъмна материя

Hot тъмна материя - лека частици, които се движат със скорост близка до скоростта на светлината. Най-очевидният кандидат за тази роля е най-обикновени неутрина. Тези частици са с много малка маса (по-рано се е смятало, че теглото им е равен на нула), се раждат във вътрешността на звездите в различни процеси, фюжън и летят почти нищо друго, без да взаимодейства с него. Въпреки това, се оказа, че с броя на неутрино, които имаме във Вселената, тъмната материя, за да обясни необходимостта от теглото им е около 10 електронволта. Но експерименти ограничават неутрино маса от горе до една малка част от ЕГ, която е стотици пъти по-малък.

След отказа на обикновените неутрино се появи теорията на т.нар стерилни неутрино - хипотетични частици, възникващи в Superweak взаимодействия теория. Въпреки това, тези частици в експерименти все още не са намерени, както и факта на съществуването им в момента е под въпрос. Космологически наблюдения от последните години показват, че ако горещото тъмната материя е, че не е повече от 10% от тъмната материя. Фактът, че различни видове тъмна материя осигуряват различни сценарии на формирането на галактики (вж. Фиг. 6).

В сценария на гореща тъмна материя (отгоре-надолу), в резултат на еволюцията на първо формиране големи парчета от материя, която след това се срине в отделни малки групи и в крайна сметка да се превърне в галактики. В сценария на CDM (отдолу нагоре), първо формира малки купове и галактики-джуджета, които след това се свръхдълги да образуват по-големите. Наблюденията и компютърни симулации показват, че нашата Вселена се реализира точно ситуацията, която се показва преобладава студена тъмна материя.

Най - скрипт отгоре-надолу (гореща тъмна материя), от дъното - скрипт отдолу-нагоре (студена тъмна материя)

Заподозрян №5: студена тъмна материя

Сега основният кандидат на групата е WISP Axion произтичащи силна теория взаимодействие и с много малка маса. Такава частица способен на високи магнитни полета се превърне в фотон фотон двойка, която дава съвети за това как можете да се опитате да я намеря. Експериментът ADMX използвайки голяма стая, където магнитното поле на 80000 гауса (това е 100000 пъти по-голяма от магнитното поле на Земята). Такова поле на теория би трябвало да стимулират упадъка на Axion да фотон фотон чифт, който трябва да се хвана детектори. Въпреки многобройните опити, докато откритието на WIMP, axions или стерилни неутрино се провалили.

Така че ние пътувахме през много различни хипотези, които искат да се обясни странното съществуването на тъмна материя, и хвърлят обратно, при спазване на невъзможното, стигна до няколко възможни хипотези, които вече могат да бъдат на труд.

Отрицателните резултати в науката - е също резултат, тъй като осигурява ограничение на различните параметри на частици, като плевели място обхвата на възможните маси. От година на година все повече и повече наблюдения и експерименти в ускорители предлагат нови, по-строги ограничения за тегло и други параметри на частиците на тъмната материя. По този начин, хвърлят всички невъзможни възможности и стесняване обхвата на търсене, ние сме от ден на ден става все по-близо да се разбере от какво е, че е 95% от материята във Вселената.

Не пропускайте следващата лекция