Невидима речовина пронизує Всесвіт, змінюючи шляхи зірок і галактик.
Ця так звана темна речовина чинить тяжіння, але ніколи не взаємодіє зі світлом. Ніхто не знає, з чого він зроблений, і виявити його досі було неможливо. Але нова теорія може нарешті запропонувати спосіб перевірити темну матерію.
Темна матерія може складатися з дивних напівмагнетиків, заявили фізики-теоретики з Каліфорнійського університету в Девізі під час презентації 6 червня на конференції Planck 2019 у Гранаді, Іспанія. І ввімкнувши дійсно потужний (поки що не існує) електронний мікроскоп, ми, нарешті, зможемо їх виявити.
Але не всі фізики переконані.
"Я думаю, що це акуратно, але не дуже перспективно", - сказала Сабіна Хоссенфельдер, науковий співробітник Франкфуртського інституту перспективних досліджень, яка не брала участь у дослідженні. "Ви можете винайти нескінченно багато частинок, які можуть утворювати темну речовину". Це лише ще один із них, додала вона.
"Для кожної з цих частинок ви можете зробити безліч розрахунків, опублікувати документи та придумати експерименти, за допомогою яких потім можна спробувати отримати фінансування", - сказала вона. "Якщо вам справді пощастить, хтось зробить ваш експеримент - який тоді нічого не знайде".
Пошуки темної матерії
Хоча теорії передбачають, що існує темна речовина, ми не маємо уявлення насправді як вона виглядає або з чого вона складається. Деякий час існувала "прекрасна історія" про те, що темна матерія складається з пихатого, сором'язливого звіра з частинок, відомого як слабко взаємодіюча масивна частинка, або WIMP, - сказав співавтор нового дослідження Джон Тернінг, професор фізики Каліфорнійського університету, Девіс.
Роками вчені шукали ці повільні, незарядні частинки, використовуючи потужні прискорювачі частинок. Але з часом фізики виключали все більше кандидатів у WIMP, і популярна ідея втрачала тягу. Хоча це не виключається повністю, "останні 10 років люди думають про інші можливості, крім WIMP", - сказав Тернінг.
Інша теорія пропонує, що темна речовина насправді складається з частинок світла, або фотонів.
"Окрім звичайних фотонів, які ми можемо бачити, може бути кілька фотонів, яких ми не можемо побачити", - сказав Тернінг. Ці так звані «темні фотони» - гіпотетичні частинки, які мають масу, але легші від електронів. Темні фотони взаємодіють - хоча і досить слабко - з регулярними фотонами.
У цьому новому дослідженні Тернінг та його докторський дослідник Крістофер Верхаарен спиралися на цю теорію, припускаючи, що темна матерія також може складатися з темних напівмагнетиків. Ці гіпотетичні півмагніти були б темними версіями давно шуканих монополів або магнітів що лише один полюс, що фізик Пол Дірак вперше запропонував у 1930-х роках. (Незважаючи на десятиліття полювання, у природі ще ніхто не знайшов доказів для них.)
Дірак не пропонував просто монополів; він також запропонував, що на електрон, що рухається навколо монополя, буде впливати його магнітне поле. Отже, якщо теорія Тернінга та Верхаарена правильна, а темні версії цих напівмагнітів ховаються десь у Всесвіті - і якщо ці темні напівмагніти діють як монополь Дірака - вони також залишать тонкі підказки на шляхах електронів.
Якщо існують темні монополі, вони випромінюють темні фотони, які можуть перетворюватися на звичайні фотони, перш ніж поглинатись електронами, сказав Тернінг. Ця взаємодія спричинила б обертання електронів або зміна ходу лише крихітним бітом, що спричинило інтерференційну картину під назвою ефект Ахаронова-Бома. (Електрони - це не просто частинки, вони також хвилі, і інтерференційна картина - це те, що з’являється, коли вершини та долини в «хвильовому рівнянні» електронів або додають, або скасовують один одного, створюючи ряд паралельних світлів і темні лінії.) Тернінг і Верхаарен пропонують, щоб вони могли виявити цю незначну зміну в моделях електронних перешкод за допомогою електронних мікроскопів.
Збуджений сонцем
Якщо існує темна речовина, вона є в нас і навколо нас - у тому числі в мікроскопі та навколо нього, який ми використовуємо для його виявлення. Але для виявлення темної матерії через її збурення електронами дивні напівмагніти, що складають темну речовину, повинні мати достатньо сильне магнітне поле. Це означає, що цим півмагнітам потрібно було б мати багато енергії.
Монополі, які проходять поблизу Сонця, можуть збудитися, набрати більше енергії, а потім пробратися до Землі, сказав Тернінг. Він прогнозує, що приблизно п’ять цих порушених монополів на день переживатимуть щось розмір запропонованого електронно-променевого мікроскопа. "Це не погано, тому що звичайні детектори WIMP були б раді, якби вони отримували п'ять подій на рік", - сказав він.
Крім того, зміна фази електронів, викликана темними напівмагнітами, була б настільки крихітною, що для того, щоб виявити це, нам знадобляться неймовірно високі роздільні мікроскопи з високою роздільною здатністю - ті, що існують зараз, мабуть, недостатньо потужні . Цей електронний мікроскоп повинен мати роздільну здатність, яка в п’ять разів більша за ту, яка існує в даний час, сказав Тернінг.
У будь-якому випадку, ми сподіваємось, що "зацікавлять цих людей із надзвичайно вигадливими електронними мікроскопами, зацікавленими у пошуку цього", або ми ", можливо, повинні будемо побудувати ще один, щоб сидіти і чекати темної матерії", - сказав Тернінг.
За його словами, різні конкуруючі теорії темної матерії розповідають нам зовсім інші історії про те, як формувався ранній Всесвіт. Більше того, як тільки ви зрозумієте, з чого насправді складається темна речовина - чи це легкі або важкі частинки - люди могли б створити тут подібні заводи темної матерії на Землі. "Якщо він дуже світлий, вам не потрібно багато енергії, щоб виробляти власну темну матерію".
Вчені опублікували своє дослідження в переддрукованому журналі arXiv. Він ще не був рецензований.
