Asi 80% všetkej hmoty vo vesmíre má podobu, ktorá je pre súčasnú fyziku úplne neznáma. Hovoríme tomu temná hmota, pretože čo najlepšie vieme povedať, je ... temná. Pokusy na celom svete sa snažia zachytiť túlavú časticu tmavej hmoty v nádeji, že ju pochopia, ale zatiaľ sa stali prázdnymi.
Tím teoretikov nedávno navrhol nový spôsob, ako loviť temnú hmotu pomocou divných „častíc“ nazývaných magnóny, ktoré som jednoducho neurobil. Tieto malé vlnky by mohli z úkrytu nalákať dokonca aj prchavú, ľahkú časticu tmavej hmoty, hovoria títo teoretici.
Hádanka temnej hmoty
Poznáme najrôznejšie veci o temnej hmote, s pozoruhodnou výnimkou toho, o čo ide.
Aj keď to nemôžeme priamo zistiť, vidíme dôkazy temnej hmoty, len čo otvoríme naše ďalekohľady do širšieho vesmíru. Prvé odhalenie, už v tridsiatych rokoch 20. storočia, prešlo pozorovaním klastrov galaxií, niektorých z najväčších štruktúr vo vesmíre. Galaxie, ktoré ich obývali, sa jednoducho pohybovali príliš rýchlo na to, aby boli držané pohromade ako zhluk. Je to preto, že kolektívna hmota galaxií dáva gravitačné lepidlo, ktoré udržuje klaster pohromade - čím väčšia je hmotnosť, tým je lepidlo silnejšie. Dokonale silné lepidlo dokáže držať pohromade aj najrýchlejšie sa pohybujúce galaxie. Čím rýchlejšie a zoskupenie by sa jednoducho roztrhlo.
Tam však boli zhluky, s galaxiami, ktoré v nich bzučali oveľa rýchlejšie, ako by mali vzhľadom na hmotnosť zhluku. Niečo malo dostatočnú gravitačnú priľnavosť, aby držalo zhluky pohromade, ale že niečo nevyžarovalo alebo nereagovalo so svetlom.
Toto tajomstvo pretrvávalo desaťročia nevyriešené a astronómka Vera Rubin v 70. rokoch minulého storočia pritiahla ante do veľkej miery pozorovaním hviezd v galaxiách. Ešte raz sa veci pohybovali príliš rýchlo: Vzhľadom na pozorovanú hmotu sa galaxie v našom vesmíre mali roztočiť pred miliardami rokov. Niečo ich držalo pohromade. Niečo neviditeľné.
Príbeh sa opakuje po celom vesmíre, tak v čase, ako aj v priestore. Od najskoršieho svetla od Veľkého tresku po najväčšie štruktúry vo vesmíre je niečo zábavné.
Vyhľadávanie v tme
Je tu teda temná hmota - my jednoducho nemôžeme nájsť inú životaschopnú hypotézu, ktorá by vysvetlila tsunami údajov na podporu jej existencie. Čo je to? Náš najlepší odhad je, že temná hmota je nejaká nová exotická častica, ktorá fyzike doteraz neznáme. Na tomto obrázku zaplavuje každá galaxia temná hmota. V skutočnosti je viditeľná časť galaxie, ako je vidieť cez hviezdy a oblaky plynu a prachu, iba malým majákom postaveným proti oveľa väčšiemu, tmavšiemu pobrežiu. Každá galaxia sedí vo veľkom "halo", ktorý je tvorený ziliónmi na zilliónoch častíc temnej hmoty.
Tieto častice temnej hmoty práve teraz prúdia cez vašu izbu. Streamujú cez vás. Nekonečná dažďová sprcha s malými, neviditeľnými časticami tmavej hmoty. Ale jednoducho si ich nevšimnete. Nereagujú so svetlom alebo s nabitými časticami. Ste vyrobení z nabitých častíc a ste veľmi priateľskí so svetlom; ste neviditeľní pre temnú hmotu a temná hmota pre vás neviditeľná. Jediným spôsobom, ako „vidíme“ temnú hmotu, je gravitačná sila; gravitácia si všimne každú formu hmoty a energie vo vesmíre, temnú alebo nie, takže na najväčších mierkach pozorujeme vplyv kombinovanej hmoty všetkých týchto nespočetných častíc. Ale tu vo svojej izbe? Nič.
Ak dúfame, že existuje nejaký iný spôsob, ako temná hmota interaguje s nami, normálna hmota. Je možné, že častica temnej hmoty, nech je to sakra akékoľvek, tiež pociťuje slabú jadrovú silu - ktorá je zodpovedná za rádioaktívny rozpad - otvára nové okno do tejto skrytej ríše. Predstavte si, že budujete obrovský detektor, len veľkú hmotu akéhokoľvek prvku, ktorý máte po ruke. Cez to prúdia častice temnej hmoty, takmer všetky úplne neškodne. Ale niekedy, s raritou v závislosti od konkrétneho modelu tmavej hmoty, prechádzajúca častica interaguje s jedným z atómových jadier prvkov v detektore prostredníctvom slabej jadrovej sily, čím ju vyradí z miesta a vytvorí celú hmotu detektora. tulec.
Zadajte magnet
Toto experimentálne usporiadanie funguje iba vtedy, ak je častica temnej hmoty relatívne ťažká, čo jej dáva dostatok oomphu na vyradenie jadra v jednej z týchto zriedkavých interakcií. Doteraz však žiadny z detektorov temnej hmoty na celom svete nevidel žiadne stopy po interakcii, a to ani po rokoch a rokoch hľadania. Ako experimenty pominuli, povolené vlastnosti tmavej hmoty boli pomaly vylúčené. Toto nemusí byť nevyhnutne zlá vec; jednoducho nevieme, z čoho je tmavá hmota vyrobená, takže čím viac vieme o tom, čo to nie je, tým jasnejší je obraz toho, čo to môže byť.
Nedostatok výsledkov však môže byť trochu znepokojujúci. Najťažší kandidáti na temnú hmotu sú vylúčení a ak je záhadná častica príliš svetlá, nikdy nebude v detektoroch videná, keď sú teraz nastavené. To znamená, že pokiaľ neexistuje iná možnosť, ako temná hmota dokáže hovoriť s bežnou hmotou.
V nedávnom článku uverejnenom v predtlačovom online denníku arXiv fyzici podrobne opisujú navrhované experimentálne usporiadanie, ktoré by mohlo zachytiť časticu temnej hmoty pri zmene otáčania elektrónov (ak to temná hmota v skutočnosti dokáže). V tomto nastavení je možné detekovať tmavú hmotu, aj keď je podozrivá častica veľmi svetlá. Môže to urobiť vytvorením takzvaných magnetov v materiáli.
Predstierajte, že máte kus materiálu pri teplote absolútne nula. Všetky točenia - ako malé malé tyčové magnety - všetkých elektrónov v tejto veci budú smerovať rovnakým smerom. Keď pomaly zvyšujete teplotu, niektoré elektróny sa začnú prebúdzať, krútiť sa a náhodne nasmerovať ich otáčania v opačnom smere. Čím vyššia teplota stúpa, tým viac sa elektrónový vietor prevráti - a každé z týchto prevrátení znižuje magnetickú silu len o niečo. Každé z týchto prevrátených otočení tiež spôsobuje malé zvlnenie v energii materiálu a na tieto krútenie sa dá pozerať ako na kvázi častica, nie na pravú časticu, ale na niečo, čo môžete matematicky opísať týmto spôsobom. Tieto kvasičastice sú známe ako „magnóny“ pravdepodobne preto, že sú ako malé, roztomilé malé magnety.
Ak teda začnete so skutočne studeným materiálom a dostatok častíc temnej hmoty udeří do materiálu a preklopí okolo neho niekoľko otočení, budete pozorovať magnóny. Z dôvodu citlivosti experimentu a povahy interakcií môže toto usporiadanie detegovať ľahkú časticu tmavej hmoty.
To znamená, že ak existuje.
Paul M. Sutter je astrofyzik na Štátna univerzita v Ohiu, hostiteľ Spýtajte sa Spaceman a Vesmírne rádioa autor knihy Vaše miesto vo vesmíre.
