Близько 80% усієї речовини в космосі є формою, абсолютно невідомою сучасній фізиці. Ми називаємо це темною матерією, тому що якнайкраще ми можемо сказати, що це ... темна. Експерименти у всьому світі намагаються захопити блукаючу частину темної речовини з надією зрозуміти це, але поки що вони виявилися порожніми.
Нещодавно команда теоретиків запропонувала новий спосіб полювання на темну речовину, використовуючи дивні "частинки", що називаються магнонами, ім'я, яке я не просто склав. Ці крихітні брижі можуть виманити навіть холодну, легку частинку темної матерії поза укриття, вважають ці теоретики.
Загадка темної матерії
Про темну речовину ми знаємо всілякі речі, за винятком того, що вона є.
Незважаючи на те, що ми не можемо безпосередньо його виявити, ми бачимо докази темної матерії, як тільки ми відкриваємо свої телескопи до ширшого Всесвіту. Перше одкровення, ще в 1930-х роках, відбулося завдяки спостереженням за кластерами галактик, одних з найбільших структур у Всесвіті. Галактики, які населяли їх, просто рухалися занадто швидко, щоб утримуватися разом як скупчення. Це тому, що колективна маса галактик дає гравітаційний клей, який утримує скупчення - чим більша маса, тим міцніше цей клей. Надміцний клей може утримувати разом навіть галактики, що найбільш швидко рухаються. Будь-яке швидше і кластер просто розірве себе.
Але там скупчення існували, і галактики гули всередині них набагато швидше, ніж їм слід було б отримати масу скупчення. Щось було достатньо гравітаційного захоплення, щоб утримувати скупчення разом, але щось не випромінювало і не взаємоділо зі світлом.
Ця таємниця зберігалася невирішеною протягом десятиліть, і в 70-х роках астроном Віра Рубін значно збільшила анте завдяки спостереженням за зірками в галактиках. Знову справи рухалися занадто швидко: враховуючи свою спостережувану масу, галактики у нашому Всесвіті повинні були розкрутитися мільярди років тому. Щось тримало їх разом. Щось невидиме.
Історія повторюється по всьому космосу, як у часі, так і в просторі. Від самого раннього світла від Великого вибуху до найбільших споруд у Всесвіті, там щось фанкі.
Пошук у темряві
Тож темної матерії існує дуже багато - ми просто не можемо знайти жодної іншої життєздатної гіпотези, яка б пояснила цунамі даних на підтвердження її існування. Але що це? Ми найкраще здогадуємось, що темна речовина - це якась нова, екзотична частинка, досі невідома фізиці. На цій картині темна матерія заливає кожну галактику. Насправді видима частина галактики, видно крізь зірки та хмари газу та пилу, - це лише крихітний маяк, встановлений проти набагато більшого, темного берега. Кожна галактика сидить у великому "ореолі", складеному з мільйонів на мільйони частинок темної речовини.
Ці частинки темної речовини прямо зараз проходять через вашу кімнату. Вони проходять через вас. Нескінченний дощовий душ про крихітні невидимі частинки темної речовини. Але ви їх просто не помічаєте. Вони не взаємодіють зі світлом або із зарядженими частинками. Ви зроблені із заряджених частинок, і ви дуже доброзичливі зі світлом; ти невидимий для темної матерії, і темна матерія для тебе невидима. Єдиний спосіб, як ми «бачимо» темну матерію, - це сила тяжіння; гравітація помічає кожну форму матерії та енергії у Всесвіті, темну чи ні, тому на найбільших масштабах ми спостерігаємо вплив комбінованої маси всіх цих незліченних частинок. Але тут у вашій кімнаті? Нічого.
Якщо, ми сподіваємось, існує якийсь інший спосіб, як темна речовина взаємодіє з нами нормальною матерією. Можливо, що частинка темної речовини, як би там не було, також відчуває слабку ядерну силу - що відповідає за радіоактивний розпад - відкриваючи нове вікно в цю приховану царину. Уявіть собі, що побудуєте гігантський детектор, просто велику масу будь-якого елемента, який вам зручний. Частинки темної матерії протікають через неї, майже всі вони абсолютно нешкідливі. Але іноді, з рідкістю залежно від конкретної моделі темної матерії, що проходить частинка взаємодіє з одним з атомних ядер елементів у детекторі через слабку ядерну силу, вибиваючи її з місця і вносячи всю масу детектора сагайдак.
Введіть магнон
Ця експериментальна установка працює лише в тому випадку, якщо частинка темної речовини є відносно важкою, що дає їй достатню кількість омф, щоб вибити ядро в одній з таких рідкісних взаємодій. Але поки що жоден із детекторів темної матерії по всьому світу не бачив жодного сліду взаємодії навіть через роки та роки пошуків. У міру того, як експерименти опинилися в грунті, допустимі властивості темної речовини повільно виключаються. Це не обов'язково погано; ми просто не знаємо, з чого складається темна матерія, тому чим більше ми знаємо про те, що це не так, тим чіткіше картина того, що воно може бути.
Але відсутність результатів може трохи хвилювати. Виключаються найважчі кандидати на темну речовину, і якщо загадкова частинка буде занадто світлою, вона ніколи не буде помічена в детекторах, як вони створені зараз. Тобто, якщо немає іншого способу, яким темна матерія може говорити з звичайною матерією.
В останній статті, опублікованій в інтернет-журналі arxiv, що передруковується, фізики деталізують запропоновану експериментальну установку, яка могла б помітити частинку темної речовини в акті зміни спина електронів (якщо насправді це може зробити темна матерія). У цій установці може бути виявлена темна речовина, навіть якщо підозріла частинка дуже світла. Це можна зробити, створивши так звані магнони в матеріалі.
Зробіть вигляд, що у вас є шматок матеріалу при температурі абсолютного нуля. Всі крутки - як крихітні маленькі смужкові магніти - всіх електронів у цьому питанні будуть вказувати в одному напрямку. Коли ви повільно підвищуєте температуру, частина електронів почне прокидатися, хитатися навколо і випадковим чином спрямовувати свої спини у зворотному напрямку. Чим вище ти піднімаєш температуру, тим більше електронів накручується перевернуто - і кожен з цих фліпів знижує магнітну силу лише на трохи. Кожен із цих перевернутих спінів також викликає невеликий пульсат енергії матеріалу, і ці хитання можна розглядати як квазічастинку, а не справжню частинку, але щось, що ви можете описати математикою таким чином. Ці квазічастинки відомі як "магнони", ймовірно, тому, що вони схожі на крихітні, милі маленькі магніти.
Тож якщо ви почнете із справді холодного матеріалу, і достатньо темних частинок речовини вразить матеріал і переверне кілька обертів, ви будете спостерігати магнони. Через чутливість експерименту та характер взаємодій ця установка може виявити легку частину темної речовини.
Тобто, якщо вона існує.
Пол М. Саттер є астрофізиком в Державний університет штату Огайо, господар Запитайте космонавта і Космічне радіо, і автор Ваше місце у Всесвіті.
