Фізики на полюванні на невидиму руку, яка формує наш Всесвіт і галактики всередині нього, звернули погляд у темну сторону. Зокрема, одна команда дивиться за кожну космічну скелю на так звані темні фотони, які могли б передавати невідому раніше природу силу.
Ці фотони опосередковували б взаємодію між усією нормальною речовиною та невидимою речовиною під назвою темна матерія.
Але вчені давно зрозуміли, що природа розтягується і витягується, розмивається і розривається чотирма відомими силами, так як інша сила могла так довго ховатися від нас? Ці чотири відомі сили складають наріжний камінь нашого повсякденного існування: тиранічну, але короткочасну сильну ядерну силу, яка зв’язує атомні ядра разом; незрозумілою і безшумною слабкою ядерною силою, яка контролює радіоактивний розпад і спілкується з субатомними частинками, які називаються нейтрино; смілива і яскрава електромагнітна сила, яка домінує в нашому житті; і найтонша гравітаційна сила, на сьогодні найслабша з квартетів.
Використовуючи ці чотири основні сили, фізики здатні намалювати портрет нашого субатомного та макроскопічного світів. Немає взаємодії, яка не передбачає жодного з цих чотирьох символів. І все ж таємниці все ще існують щодо взаємодій у нашому Всесвіті, особливо на найбільших масштабах. Коли ми зменшуємо масштаб до масштабів галактик і далі, відбувається щось рибне, і ми даємо цій риболовлі назву темної матерії.
Чи темна матерія проста і неприхована, чи вона ховає безліч невідомих раніше сил у своїх затисках? Зараз міжнародна команда фізиків, описуючи свою роботу в Інтернеті в журналі передпринтного друку arXiv, використовувала дамп із Великого адронного колайдера - найбільшого в світі рушничного атома - для пошуку такої сили. Наразі їх пошук виявився порожнім - що добре (свого роду): це означає, що наші відомі закони фізики досі дотримуються. Але ми все ще не можемо пояснити темну матерію.
Загубився в темряві
Темна матерія - це гіпотетична форма речовини, на яку, як кажуть, припадає близько 80% загальної маси Всесвіту. Це якась велика справа. Ми насправді не знаємо, що відповідає за всі ці зайві непомітні речі, але ми знаємо, що вони існують, і наша найбільша підказка - гравітація. Досліджуючи рухи зірок у межах галактик та галактик у кластерах, а також еволюцію найбільших у Космосі структур, астрономи майже повсюдно дійшли висновку, що галактичного ока більше, ніж зустрічається.
Кращою назвою для темної матерії може бути невидима матерія. Хоча ми можемо зробити висновок про його гравітаційному впливі (оскільки ніщо не омине всевидюче око Альберта Ейнштейна), темна матерія просто не взаємодіє зі світлом. Ми це знаємо, бо якби темна матерія взаємоділа зі світлом (або принаймні, якби вона взаємоділа зі світлом так, як це знайома матерія), ми б уже бачили таємничу субстанцію. Але наскільки ми можемо сказати, темна матерія - як би там не було, - не поглинає світло, не відбиває світло, не заломлює світло, не розсіює світло і не випромінює світло. Для темної матерії світло - це просто людина non grata; він може навіть не існувати.
І тому є великий шанс, що легіони частинок темної речовини прямо зараз проходять через ваше тіло. Об'єднана маса цього нескінченного потоку може формувати долі галактик за допомогою гравітаційного впливу, але вона проходить через нормальну матерію, навіть не привіт. Грубо, я знаю, але це темна справа для вас.
Принесення світла
Оскільки ми не знаємо, з чого складається темна речовина, ми вільні складати всілякі сценарії, як мирські, так і вигадливі. Найпростіша картина темної матерії говорить про те, що вона велика і основна. Так, він складає переважну більшість маси Всесвіту, але він складається лише з однієї, дуже плідної частинки, яка не має нічого іншого, крім маси. Це означає, що матеріал може заявити про себе через гравітацію, але в іншому випадку ніколи не взаємодіє через будь-яку з інших сил. Ми ніколи, ніколи не помічаємо темну матерію, роблячи щось інше.
Вигадливі сценарії веселіші.
Коли теоретикам стає нудно, вони готують ідеї про те, якою може бути темна матерія, і що ще важливіше, як ми могли б її виявити. Наступний рівень за шкалою цікавих теорій темної речовини говорить про те, що ця речовина може періодично говорити з нормальною речовиною через слабку ядерну силу. Ця ідея мотивує експерименти та детектори темної матерії по всьому світу сьогодні.
Але все-таки цей сценарій передбачає, що у природі все ще є лише чотири сили. Якщо темна матерія - це раніше небачений вид частинок, то цілком розумно запропонувати (тому що ми не маємо уявлення, чи ми праві, чи ні), що вона поставляється упакованою з раніше невідомою силою природи - або, можливо, парою, хто знає ? Ця потенційна сила може дозволити темній матерії говорити лише про темну матерію, або може переплести темну матерію і темну енергію (яку ми також не розуміємо), або це може відкрити новий канал зв'язку між нормальним і темним секторами нашого Всесвіту .
Підйом темного фотона
Один із запропонованих порталів зв'язку між світлою і темною сферами - це щось, що називається темним фотоном, аналогічним звичному (світлому) фотону електромагнітної сили. Ми не можемо побачити або скуштувати або понюхати темні фотони безпосередньо, але вони можуть переплутатися з нашим світом. У цьому сценарії темна речовина випромінює темні фотони, які є відносно масивними частинками. Це означає, що вони мають вплив лише на невеликому діапазоні, зовсім на відміну від світлонепроникних колег. Але іноді темний фотон міг взаємодіяти з звичайним фотоном, змінюючи його енергію та траєкторію.
Це була б дуже рідкісна подія; в іншому випадку ми давно помітили б щось дивне з електромагнетизмом.
Так, навіть із темними фотонами ми не змогли б безпосередньо бачити темну речовину, але ми можемо обнюхати існування темних фотонів, вивчивши в геб електромагнітні взаємодії. У крихітній фракції цих кущів темний фотон міг "викрасти" енергію у звичайного фотона, взаємодіючи з ним.
Але, як я вже казав, нам потрібні грязи взаємодій. Так буває, що ми створили гігантські Машини науки, щоб виготовити саме це, тож нам пощастило.
У статті arXiv фізики повідомили про свої результати після вивчення трирічних даних із Super Proton Synchrotron, другого за величиною прискорювача частинок у CERN. У ході цього експерименту вчені розбили протони проти субатомного еквівалента цегляної стіни і подивилися на всі шматочки після цього.
У уламках дослідники знайшли електрони - їх багато. За три роки вчені нарахували понад 20 мільярдів електронів з енергією понад 100 ГеВ. Оскільки електрони є зарядженими частинками і люблять взаємодіяти один з одним, високоенергетичні електрони в цьому експерименті також породили багато фотонів. Якщо існують темні фотони, то вони іноді повинні взаємодіяти і викрадати енергію у одного з звичайних фотонів, явище, яке в експерименті проявилося б як дефіцит світла.
Цей пошук темних фотонів виявився порожнім - всі нормальні фотони були присутніми і враховувалися - але це не зовсім виключає існування темних фотонів. Натомість він встановлює обмеження на допустимі властивості цих частинок. Якщо вони існують, вони мали б низьку енергію (менше, ніж GeV, за результатами експерименту) і лише рідко взаємоділи б із звичайними фотонами.
Пошуки темних фотонів продовжуються, однак майбутні випробування експерименту, що ставиться додому, ще більше продовжують цю запропоновану істоту субатомного світу.
Читайте більше: "Пошук темної матерії в зниклих енергетичних подіях з NA64"
Пол М. Саттер є астрофізиком в Державний університет штату Огайо, господар "Запитайте космонавта" і "Космічне радіо, "та автор"Ваше місце у Всесвіті."
