Około 80% całej materii w kosmosie ma postać zupełnie nieznaną współczesnej fizyce. Nazywamy to ciemną materią, ponieważ jak najlepiej możemy powiedzieć, że jest… ciemna. Eksperymenty na całym świecie próbują uchwycić zbłąkaną cząsteczkę ciemnej materii w nadziei na jej zrozumienie, ale jak dotąd okazały się puste.
Niedawno zespół teoretyków zaproponował nowy sposób polowania na ciemną materię za pomocą dziwnych „cząstek” zwanych magnonami, których nie wymyśliłem. Te maleńkie zmarszczki mogą zwabić nawet przelotną, lekką cząsteczkę ciemnej materii z ukrycia, twierdzą teoretycy.
Układanka ciemnej materii
Znamy różne rzeczy na temat ciemnej materii, z godnym uwagi wyjątkiem.
Chociaż nie możemy go bezpośrednio wykryć, widzimy ślady ciemnej materii, gdy tylko otworzymy nasze teleskopy na szerszy wszechświat. Pierwsze objawienie, jeszcze w latach 30. XX wieku, przyszło z obserwacji gromad galaktyk, jednych z największych struktur we wszechświecie. Galaktyki, które je zamieszkiwały, po prostu poruszały się zbyt szybko, aby można je było utrzymać w gromadzie. Jest tak, ponieważ masa zbiorcza galaktyk daje klej grawitacyjny, który utrzymuje gromadę razem - im większa masa, tym mocniejszy klej. Super mocny klej może pomieścić nawet najszybciej poruszające się galaktyki. Z każdą chwilą klaster po prostu rozpadłby się na strzępy.
Ale tam gromady istniały, a galaktyki wirowały w nich znacznie szybciej niż powinny, biorąc pod uwagę masę gromady. Coś miało wystarczającą przyczepność grawitacyjną, aby utrzymać gromady razem, ale to coś nie emitowało ani nie oddziaływało ze światłem.
Tajemnica ta pozostała nierozwiązana przez dziesięciolecia, a w latach 70. astronoma Vera Rubin znacznie podniosła stawkę dzięki obserwacjom gwiazd w galaktykach. Po raz kolejny rzeczy poruszały się zbyt szybko: biorąc pod uwagę ich obserwowaną masę, galaktyki w naszym wszechświecie powinny się rozproszyć miliardy lat temu. Coś ich trzymało razem. Coś niewidzialnego.
Historia powtarza się w kosmosie, zarówno w czasie, jak i przestrzeni. Od najwcześniejszego światła od Wielkiego Wybuchu po największe struktury we wszechświecie, istnieje coś funky.
Wyszukiwanie w ciemności
Tak więc ciemna materia jest bardzo obecna - po prostu nie możemy znaleźć żadnej innej realnej hipotezy wyjaśniającej tsunami danych na poparcie jej istnienia. Ale co to jest? Możemy zgadywać, że ciemna materia jest jakąś nową, egzotyczną cząsteczką, nieznaną dotychczas fizyce. Na tym zdjęciu ciemna materia zalewa każdą galaktykę. W rzeczywistości widoczna część galaktyki, widziana przez gwiazdy, chmury gazu i pyłu, jest tylko małą latarnią morską ustawioną na znacznie większym, ciemniejszym brzegu. Każda galaktyka znajduje się w dużej „halo” złożonej z zylionów na zylionach cząstek ciemnej materii.
Te cząstki ciemnej materii przepływają teraz przez twój pokój. Przepływają przez ciebie. Niekończący się deszczowy deszcz drobnych, niewidocznych cząstek ciemnej materii. Ale po prostu ich nie zauważasz. Nie wchodzą w interakcje ze światłem ani z naładowanymi cząsteczkami. Jesteście zbudowani z naładowanych cząstek i jesteście bardzo przyjaźni ze światłem; jesteś niewidoczny dla ciemnej materii, a ciemna materia jest dla ciebie niewidoczna. Jedynym sposobem, w jaki „widzimy” ciemną materię, jest siła grawitacji; grawitacja zauważa każdą formę materii i energii we wszechświecie, ciemną lub nie, więc w największych skalach obserwujemy wpływ połączonej masy wszystkich tych niezliczonych cząstek. Ale tutaj w twoim pokoju? Nic.
O ile, mamy nadzieję, istnieje inny sposób, w jaki ciemna materia oddziałuje z nami na normalną materię. Jest możliwe, że cząstka ciemnej materii, niezależnie od tego, do cholery, odczuwa słabą siłę jądrową - odpowiedzialną za rozpad radioaktywny - otwierając nowe okno na tę ukrytą sferę. Wyobraź sobie, że budujesz gigantyczny detektor, po prostu dużą masę dowolnego elementu, który masz pod ręką. Cząsteczki ciemnej materii przepływają przez nią, prawie wszystkie całkowicie nieszkodliwe. Ale czasami, z rzadkością zależną od konkretnego modelu ciemnej materii, przechodząca cząstka oddziałuje z jednym z jąder atomowych pierwiastków w detektorze poprzez słabą siłę jądrową, wybijając ją z miejsca i tworząc całą masę detektora kołczan.
Wpisz magnona
Ta konfiguracja eksperymentalna działa tylko wtedy, gdy cząstka ciemnej materii jest stosunkowo ciężka, co daje jej wystarczająco dużo energii, aby wybić jądro w jednej z tych rzadkich interakcji. Ale jak dotąd żaden z detektorów ciemnej materii na całym świecie nie widział śladu interakcji, nawet po latach poszukiwań. W miarę, jak eksperymenty się ugruntowały, powoli wykluczano dopuszczalne właściwości ciemnej materii. To niekoniecznie jest zła rzecz; po prostu nie wiemy, z czego zbudowana jest ciemna materia, więc im więcej wiemy o tym, czym ona nie jest, tym wyraźniejszy obraz tego, czym ona może być.
Ale brak wyników może być trochę niepokojący. Najciężsi kandydaci na ciemną materię zostają wykluczeni, a jeśli tajemnicza cząsteczka jest zbyt jasna, nigdy nie będzie widoczna w wykrywaczach, gdy są teraz ustawione. To znaczy, chyba że istnieje inny sposób, w jaki ciemna materia może przemawiać do zwykłej materii.
W niedawnym artykule opublikowanym w internetowym czasopiśmie arXiv z przedrukiem fizycy szczegółowo opisali proponowaną konfigurację eksperymentalną, która może wykryć cząsteczkę ciemnej materii w trakcie zmiany spinu elektronów (jeśli w rzeczywistości ciemna materia może to zrobić). W tym układzie ciemną materię można potencjalnie wykryć, nawet jeśli podejrzana cząstka jest bardzo lekka. Można to zrobić, tworząc w materiale tak zwane magnesy.
Udawaj, że masz kawałek materiału w temperaturze absolutnego zera. Wszystkie obroty - podobnie jak małe magnesy prętowe - wszystkich elektronów w tej materii będą wskazywały w tym samym kierunku. Gdy powoli podnosisz temperaturę, niektóre elektrony zaczną się budzić, kręcić się i losowo kierować spinami w przeciwnym kierunku. Im wyższa temperatura, tym więcej elektronów przewraca się - i każdy z tych skoków zmniejsza siłę magnetyczną tylko trochę. Każde z tych odwróconych obrotów powoduje również niewielkie tętnienie energii materiału, a te wiggles można postrzegać jako quasiparticle, nie prawdziwą cząsteczkę, ale coś, co można opisać matematyką w ten sposób. Te kwazycząstki są znane jako „magnesy”, prawdopodobnie dlatego, że są jak małe, słodkie małe magnesy.
Więc jeśli zaczniesz od naprawdę zimnego materiału, a wystarczająca ilość cząstek ciemnej materii uderzy w materiał i odwróci niektóre obroty, zobaczysz magnesy. Ze względu na czułość eksperymentu i charakter interakcji, układ ten może wykryć lekką cząsteczkę ciemnej materii.
To znaczy, jeśli istnieje.
Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Radio kosmicznei autor Twoje miejsce we wszechświecie.
