Fizycy polujący na niewidzialną rękę, która kształtuje nasz wszechświat i znajdujące się w nim galaktyki, zwrócili wzrok na ciemną stronę. W szczególności jeden zespół szuka każdej kosmicznej skały pod kątem tak zwanych ciemnych fotonów, które mogłyby przenosić nieznaną wcześniej siłę natury.
Fotony te pośredniczyłyby w interakcji między całą normalną materią a niewidzialną materią zwaną ciemną materią.
Ale naukowcy od dawna rozumieją, że natura jest rozciągana, ciągnięta, dotykana i szarpana przez cztery znane siły, więc jak inna siła mogła ukrywać się przed nami tak długo? Te cztery znane siły stanowią kamień węgielny naszej codziennej egzystencji: tyraniczna, ale krótkiego zasięgu silna siła jądrowa, która wiąże jądra atomowe razem; niejasna i cicha jak szept słaba siła jądrowa, która kontroluje rozpad radioaktywny i rozmawia z subatomowymi cząsteczkami zwanymi neutrinami; odważna i jasna siła elektromagnetyczna, która dominuje w naszym życiu; i subtelna siła grawitacji, zdecydowanie najsłabszy z kwartetu.
Korzystając z tych czterech podstawowych sił, fizycy mogą namalować portret naszych światów subatomowych i makroskopowych. Nie ma interakcji, która nie obejmowałaby jednej z tych czterech postaci. A jednak wciąż istnieje wiele tajemnic dotyczących interakcji w naszym wszechświecie, szczególnie w największych skalach. Kiedy pomniejszamy skalę galaktyk i poza nią, dzieje się coś podejrzanego i nadajemy tej rybności nazwę ciemnej materii.
Czy ciemna materia jest prosta i pozbawiona ozdób, czy też kryje w sobie szpony nieznanych wcześniej sił? Teraz międzynarodowy zespół fizyków, opisując swoją pracę online w czasopiśmie arXiv, wykorzystał zrzut danych z Wielkiego Zderzacza Hadronów - największego na świecie niszczyciela atomów - w poszukiwaniu takiej siły. Na razie ich poszukiwania okazały się puste - co jest dobre (w pewnym sensie): oznacza to, że nasze znane prawa fizyki nadal obowiązują. Ale nadal nie możemy wyjaśnić ciemnej materii.
Zagubiony w ciemności
Ciemna materia jest hipotetyczną formą materii, o której mówi się, że stanowi około 80% całkowitej masy wszechświata. To trochę wielka sprawa. Naprawdę nie wiemy, co jest odpowiedzialne za wszystkie te niewidzialne rzeczy, ale wiemy, że istnieje, a naszą największą wskazówką jest grawitacja. Badając ruchy gwiazd w obrębie galaktyk i galaktyk w gromadach, a także ewolucję największych struktur w kosmosie, astronomowie niemal powszechnie doszli do wniosku, że oko galaktyki to coś więcej niż tylko oko.
Lepszą nazwą ciemnej materii może być materia niewidzialna. Chociaż możemy wywnioskować to z jego wpływu grawitacyjnego (ponieważ nic nie wymyka się wszechwidzącemu oku Alberta Einsteina), ciemna materia po prostu nie wchodzi w interakcje ze światłem. Wiemy o tym, ponieważ gdyby ciemna materia oddziaływała ze światłem (a przynajmniej, gdyby oddziaływała ze światłem w sposób podobny do znanej materii), do tej pory widzielibyśmy tajemniczą substancję. Ale o ile wiemy, ciemna materia - cokolwiek to jest, do cholery - nie pochłania światła, nie odbija światła, załamuje światło, rozprasza światło ani nie emituje światła. W przypadku ciemnej materii światło jest po prostu persona non grata; równie dobrze może nawet nie istnieć.
Istnieje więc duża szansa, że legiony cząstek ciemnej materii przepływają teraz przez twoje ciało. Połączona masa tego niekończącego się strumienia może kształtować losy galaktyk pod wpływem grawitacji, ale przechodzi przez normalną materię nawet bez przywitania. Niegrzeczne, wiem, ale to dla ciebie ciemna materia.
Przynosząc światło
Ponieważ nie wiemy, z czego zbudowana jest ciemna materia, możemy dowolnie wymyślać różne scenariusze, zarówno przyziemne, jak i fantazyjne. Najprostszy obraz ciemnej materii mówi, że jest ona duża i podstawowa. Tak, stanowi ogromną większość masy wszechświata, ale składa się tylko z jednej, bardzo płodnej cząsteczki, która nie robi nic poza masą. Oznacza to, że materiał może się ujawnić poprzez grawitację, ale w przeciwnym razie nigdy nie wchodzi w interakcje z żadną inną siłą. Nigdy, przenigdy nie zobaczymy mrocznej materii, która robi cokolwiek innego.
Fantazyjne scenariusze są zabawniejsze.
Kiedy teoretycy się nudzą, przygotowują pomysły na to, czym może być ciemna materia, a co ważniejsze, w jaki sposób możemy ją wykryć. Następny poziom wyżej w skali interesujących teorii ciemnej materii mówi, że substancja może czasami rozmawiać z normalną materią poprzez słabą siłę jądrową. Ta idea motywuje dziś do eksperymentów z ciemną materią i detektorów na całym świecie.
Ale nadal ten scenariusz zakłada, że nadal istnieją tylko cztery siły natury. Jeśli ciemna materia jest wcześniej niewidzialną cząsteczką, to całkowicie uzasadnione jest sugerowanie (ponieważ nie mamy pojęcia, czy mamy rację, czy nie), że zawiera ona nieznaną wcześniej siłę natury - a może parę, która wie ? Ta potencjalna siła może pozwolić ciemnej materii rozmawiać tylko z ciemną materią lub może przeplatać ciemną materię i ciemną energię (której również nie rozumiemy), lub może otworzyć nowy kanał komunikacji między normalnymi i ciemnymi sektorami naszego wszechświata .
Powstanie ciemnego fotonu
Jednym z proponowanych portali komunikacyjnych między królestwem światła i ciemności jest coś zwanego ciemnym fotonem, analogicznym do znanego (jasnego) fotonu siły elektromagnetycznej. Nie widzimy, nie smakujemy ani nie wąchamy bezpośrednio ciemnych fotonów, ale mogą one mieszać się z naszym światem. W tym scenariuszu ciemna materia emituje ciemne fotony, które są stosunkowo masywnymi cząsteczkami. Oznacza to, że działają one w krótkim zakresie, zupełnie inaczej niż ich lekkie odpowiedniki. Ale czasami ciemny foton może oddziaływać z normalnym fotonem, zmieniając jego energię i trajektorię.
To byłoby bardzo rzadkie wydarzenie; w przeciwnym razie już dawno zauważylibyśmy coś dziwnego z elektromagnetyzmem.
Tak więc, nawet przy ciemnych fotonach, nie bylibyśmy w stanie zobaczyć ciemnej materii bezpośrednio, ale moglibyśmy wąchać istnienie ciemnych fotonów, badając plamy oddziaływań elektromagnetycznych. W niewielkiej części tych kropel ciemny foton może „ukraść” energię ze zwykłego fotonu poprzez interakcję z nim.
Ale jak powiedziałem, potrzebujemy mnóstwa interakcji. Tak się składa, że zbudowaliśmy gigantyczne Maszyny Nauki, aby produkować dokładnie to, więc mamy szczęście.
W artykule arXiv fizycy zgłosili swoje wyniki po przeanalizowaniu danych z trzech lat z Super Proton Synchrotron, drugiego co do wielkości akceleratora cząstek w CERN. W tym eksperymencie naukowcy rozbili protony na subatomowym odpowiedniku ceglanej ściany i przyjrzeli się wszystkim późniejszym fragmentom.
We wraku naukowcy znaleźli elektrony - wiele z nich. W ciągu trzech lat naukowcy policzyli ponad 20 miliardów elektronów o energii powyżej 100 GeV. Ponieważ elektrony są naładowanymi cząsteczkami i lubią ze sobą współdziałać, elektrony o wysokiej energii w tym eksperymencie również wytworzyły wiele fotonów. Jeśli istnieją ciemne fotony, to czasami powinny one oddziaływać i kraść energię z jednego ze zwykłych fotonów, zjawisko, które ujawniłoby się w eksperymencie jako brak światła.
Poszukiwanie ciemnych fotonów stało się puste - wszystkie normalne fotony były obecne i uwzględnione - ale to nie wyklucza całkowicie istnienia ciemnych fotonów. Zamiast tego nakłada ograniczenia na dopuszczalne właściwości tych cząstek. Gdyby istniały, byłyby niskoenergetyczne (mniejsze niż GeV, w oparciu o wyniki eksperymentu) i tylko w rzadkich przypadkach oddziaływałyby na zwykłe fotony.
Poszukiwania ciemnych fotonów trwają jednak, a przyszłe serie eksperymentów powrócą jeszcze dalej na temat tego proponowanego stworzenia świata subatomowego.
Czytaj więcej: „Wyszukiwanie ciemnej materii w brakujących wydarzeniach energetycznych za pomocą NA64”
Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem "Zapytaj kosmonautę" i "Radio kosmiczne, ”i autor„Twoje miejsce we wszechświecie."
