Tumšās matērijas rašanās
Dažreiz šķiet, ka tieši tumšā matērija atriebjas zinātniekiem par neuzmanību, ar kuru tās atklāšana tika satikta pirms vairāk nekā 80 gadiem. Tad 1933. gadā amerikāņu Šveices izcelsmes astronoms Fritz Zwicky, novērojot sešus simtus galaktiku Komas klasterī, kas atrodas 300 miljonus gaismas gadu attālumā no Piena ceļa, atklāja, ka šī klastera masa, kas noteikta, pamatojoties uz galaktiku kustības ātrumu, ir 50 reizes lielāka nekā masa aprēķināts, novērtējot zvaigžņu gaišumu.
Nemaz nezinot, kāda ir šī masu atšķirība, viņš sniedza tai tagad oficiālo definīciju - tumšā matērija.
Ļoti ilgu laiku ļoti maz cilvēku interesējās par tumšo vielu. Astronomi uzskatīja, ka slēptā masas problēma tiks atrisināta pati no sevis, kad varēs savākt pilnīgāku informāciju par kosmisko gāzi un ļoti vājām zvaigznēm. Situācija sāka mainīties tikai pēc tam, kad amerikāņu astronomi Vera Rubina un Kents Fords 1970. gadā publicēja zvaigžņu un gāzes mākoņu ātruma mērījumu rezultātus lielajā spirālveida galaktikā M31 - Andromedas miglājā. Neskatoties uz visām cerībām, izrādījās, ka tālu no tās centra šie ātrumi ir aptuveni nemainīgi, kas bija pretrunā ar Ņūtona mehāniku un saņēma skaidrojumu tikai ar pieņēmumu, ka galaktiku ieskauj liels daudzums neredzamas masas.
Kad jūs sastopaties ar fenomenu, par kuru nekas nav zināms, tam var piedēvēt lielu daudzumu skaidrojumu, un atliek tikai kārtot tos pa vienam, slaucot malā nelietderīgos un pa ceļam izgudrojot jaunus. Turklāt tas nav fakts, ka starp visiem šiem skaidrojumiem tas būs pareizs. Perifērisko zvaigžņu nepareizu izturēšanos varētu izskaidrot ar pārvietošanos divos virzienos - nedaudz labojot Ņūtona likumus vai atzīstot, ka pasaulē ir matērija, kas atšķiras no mūsējās, kuru mēs neredzam, jo daļiņas, no kurām tā sastāv, nepiedalās elektromagnētiskajā mijiedarbībā, tad tie neizstaro gaismu un neuzsūc to, mijiedarbojoties ar mūsu pasauli tikai caur gravitācijas spēku.
Vai Ņūtons kļūdījās?
Pirmais virziens, tas ir, pret Ņūtona korekcija, attīstījās diezgan lēni. Tiesa, 1983. gadā izraēliešu teorētiķis Mordechai Milgroms izveidoja tā saukto modificēto Ņūtona mehāniku, kurā nelieli paātrinājumi reaģē uz darbojošos spēku nedaudz savādāk nekā tas, kā mums mācīja skolā. Šī teorija atrada daudz sekotāju un drīz tika attīstīta tādā mērā, ka pazuda vajadzība pēc tumšās matērijas. Zīmīgi, ka pati Vera Rubina, starptautiski atzīta tumšās matērijas izpētes pioniere, vienmēr ir sliecusies uz Ņūtona likumu modifikāciju - šķiet, ka viņai vienkārši nepatika ideja par vielu, kuras ir daudz, bet kuru nekad neviens neredzēja.
Reklāmas video:
Neizturīgais wimp
Tumšās matērijas daļiņām ir daudz kandidātu, un lielākajai daļai no tām ir vispārinošs un gandrīz bezjēdzīgs nosaukums "WIMPs" - tas ir angļu valodas saīsinājums WIMPs, kas atvasināts no termina "Weakly Interacting Massive Particles", vai "vāji mijiedarbojošās masīvās daļiņas". Citiem vārdiem sakot, tās ir daļiņas, kas piedalās tikai gravitācijas un vājā mijiedarbībā - tās iedarbība sniedzas līdz dimensijām, kas ir daudz mazākas par atoma kodola dimensijām. Mūsdienās zinātnieku galvenie centieni ir tieši šo WIMP meklēšana.
WIMP detektori, īpaši tie, kas tos uztver ksenona dēļ, principā ir līdzīgi neitrīno slazdiem. Vienā reizē pat tika uzskatīts, ka neitrīno ir ļoti nenotverams WIMP. Bet šīs daļiņas masa izrādījās par mazu - ir zināms, ka 84,5% no visām Visuma matērijām ir tumšā matērija un, pēc aprēķiniem, uz šīs masas nebūs tik daudz neitrīnu.
Princips ir vienkāršs. Pieņemsim, teiksim, ksenonu kā vissmagākās no cēlgāzēm, atdzesētu līdz slāpekļa temperatūrai un, vēlams, zemāku, pasargātu no nevajadzīgiem "viesiem", piemēram, kosmiskajiem stariem, ap ksenona trauku ir uzstādīts daudz fotoelementu, un visa šī sistēma, kas atrodas dziļi pazemē, turpina gaidīt. Tā kā jums jāgaida ilgi - saskaņā ar aprēķiniem slazda garumam ar ksenonu, kas spēs uztvert WIMP, kas iet caur to ar 50 procentu varbūtību, vajadzētu būt 200 gaismas gadiem!
Šeit sagūstīšana ir domāta vai nu pītiena lidojumam netālu no ksenona atoma, un lidojumam tādā attālumā, kurā jau darbojas vājā mijiedarbība, vai arī tiešam triecienam kodolā. Pirmajā gadījumā ksenona atoma ārējais elektrons tiks izsists no tā orbītas, kuru reģistrēs izmaiņas lādiņā, otrajā - tas pārlēks uz citu līmeni un nekavējoties atgriezīsies “mājās” ar sekojošu fotona izstarojumu, kuru pēc tam reģistrē fotokompliatori.
Sensacija vai kļūda?
Tomēr “vienkāršs” nav īsti pareizais vārds, ja to lieto WIMP detektoriem. Tas nav ļoti viegli un ļoti dārgi. Viens no šiem detektoriem ar nesaīsinātu nosaukumu Ksenons tika uzstādīts Itālijas pazemes laboratorijā Gran Sasso. Līdz šim tas ir divreiz modificēts, un tagad tas ir nosaukums Xenon1T. Tas tiek rūpīgi attīrīts no piemaisījumiem, kas var izraisīt signālus, kas līdzīgi signāliem no tumšās vielas. Piemēram, no viena no tipiskajiem piesārņotājiem - radioaktīvā izotopa kriptona-85. Tā saturs komerciālajā ksenonā ir tikai dažas miljona daļas, bet, meklējot WIMP, tas ir pilnīgi netīrs. Tāpēc, sākot ar instalācijas otro modifikāciju - Xenon100, fiziķi papildus attīra ksenonu, samazinot piesārņojošās vielas koncentrāciju līdz simtiem daļu uz triljonu.
XENON100 detektors
Foto: Wikimedia Commons
Un, ieslēdzot detektoru, viņi, protams, teica loloto "gandrīz par". Pirmās 100 dienu novērošanas sesijas laikā zinātnieki reģistrēja pat trīs impulsus, kas ir ļoti līdzīgi lidojošo WIMP signāliem. Viņi neticēja sev, kaut arī droši vien ļoti gribēja ticēt, taču tas bija 2011. gads, kuru jau iezīmēja spēcīga punkcija: fiziķi atklāja, ka neitrīni, kas pie viņiem ierodas no CERN cita eksperimenta laikā, lido ar ātrumu, kas pārsniedz gaismas ātrumu. Zinātnieki, pārbaudījuši, šķita, ka viss, ko var tikai pārbaudīt, vērsās zinātniskajā aprindās ar lūgumu redzēt, kas notiek nepareizi. Kolēģi skatījās un nevarēja atrast kļūdas, sakot, ka tā tomēr nevar būt, jo tā nekad nevarētu būt. Un tā tas notika: punkcija, kā izrādījās, bija tikai viens savienotājs ar sliktu kontaktu, kuru bija grūti pamanīt.
Un tagad, zem šāda fiasko svara, zinātnieki atkal saskārās ar izvēli. Ja tie ir WIMPS, tad šī ir garantēta un tūlītēja Nobela prēmija. Un ja nē? Otro reizi viņi negribēja tikt noniecināti, un viņi sāka pārbaudīt un vēlreiz pārbaudīt. Rezultātā izrādījās, ka divi no trim signāliem var būt parazītu signāli no fona piesārņotāju atomiem, kas nav pilnībā izvadīti. Un atlikušais signāls vispār neiekļuva statistikā, tāpēc labākais būtu aizmirst par to un vairs neatcerēties.
Detektors redzēja "neko"
Vēl viens "gandrīz par" skanēja, kad sadarbības pārstāvji, kas strādā pie visjutīgākā tumšās vielas detektora LUX (Large Underground Xenon), kas atrodas pamestā zelta raktuvē Dienviddakotā, paziņoja, ka viņi ir mainījuši detektora kalibrēšanu. Pēc tam viņiem bija cerība, kas robežojas ar noteiktību, ka ilgi gaidītais "gandrīz par" beidzot piepildīsies. LUX detektors, kas jau kopš pirmās pastāvēšanas dienas bija daudz jutīgāks nekā itāļu, ir divreiz jutīgāks pret smagajiem WIMP un 20 reizes jutīgāks par plaušām.
LUX detektors
Foto: liels pazemes ksenona detektors
Pirmās 300 dienu novērošanas sesijas laikā, kas sākās 2012. gada vasarā un beidzās 2013. gada aprīlī, LUX neko neredzēja, pat tur, kur varēja kaut ko redzēt vismaz no pieklājības. Kā sacīja Daniels Makkinijs, Jēlas universitātes LUX sadarbības biedrs: "Mēs neko neredzējām, bet mēs redzējām šo" neko "labāk nekā jebkurš pirms mums."
Šī "neko" rezultātā vairākas daudzsološās versijas tika pilnībā atmestas uzreiz, it īpaši attiecībā uz "vieglajiem" WIMP. Kas nepievienoja simpatizētāju sadarbību starp tiem, kuru versijas LUX noraidīja. Kolēģi viņiem uzbruka ar veselu virkni pārmetumu par nespēju pareizi uzstādīt eksperimentu - reakcija ir diezgan standarta un gaidāma.
Fiziķi absolūti neko nezina par WIMP masu - ja tādi vispār pastāv. Tagad meklēšana tiek veikta masu diapazonā no 1 līdz 100 GeV (protonu masa ir aptuveni 1 GeV). Daudzi zinātnieki sapņo par WIMP, kuru masa ir simts protonu, jo daļiņas ar šādu masu prognozē supersimetriskā teorija, kas faktiski vēl nav kļuvusi par teoriju, bet ir tikai ļoti skaists, bet spekulatīvs modelis un kuru daudzi prognozē Standarta modeļa pēcteča likteni. Tā būtu īsta dāvana supersimetrijas atbalstītājiem, it īpaši tagad, kad eksperiments lielajā hadronu sadursmē vēl nav reģistrējis nevienu no prognozētajām daļiņām.
Otrajai LUX detektora novērošanas sesijai, kas noslēgsies nākamgad, pateicoties jau sākumā pieminētajām kalibrācijām, vajadzētu nopietni palielināt detektora jutīgumu un palīdzēt noķert dažādu masu vītnes (iepriekš LUX tika noregulēts uz augstāko jutību - aptuveni 34 GeV), atklājot to signālus kur. viņi iepriekš tika ignorēti. Citiem vārdiem sakot, nākamgad mūs sagaida vēl viens un ļoti izlēmīgs “gandrīz par”.
Ja tas “gandrīz par” nenotiek, tad tas ir arī pareizi: nākamais LZ detektors, kas ir daudz jutīgāks, jau tiek gatavots aizstāt LUX. Paredzēts, ka tā tiks uzsākta vairākus gadus vēlāk. Tajā pašā laikā DARWIN sadarbībā tiek sagatavots "briesmonis" ar 25 tonnu ksenona ietilpību, kura priekšā LUX ar saviem 370 kg gāzes šķiet "akli" un bezjēdzīgi jebkam. Tātad izskatās, ka wimpam - ja tādi eksistē - vienkārši nebūs kur paslēpties, un agrāk vai vēlāk viņi sevi izjutīs. Par to fiziķi dod ne vairāk kā desmit gadus.
Wimp vai wisp?
Ja wimps turpina saglabāt savu elsuģenci, tad joprojām pastāv aksiācija, kuru arī vajadzētu dzīt pakaļ. Aksioni ir hipotētiskas daļiņas, kuras 1977. gadā ieviesa amerikāņu fiziķi Roberto Pečejs un Helēna Kvina, lai atbrīvotos no dažu simetrijas pārrāvumu kvantu hromodinamikas. Tie faktiski ir arī Wimps, kas pieder pie vieglāko gudrību (Weakly Interacting Slim Particles) apakškategorijas, taču tām ir viena īpatnība: spēcīgā magnētiskajā laukā tām ir jāinducē fotoni, pēc kuriem tos var viegli noteikt.
Mūsdienās tikai daži cilvēki interesējas par aksioniem, un pat ne tāpēc, ka cilvēki pārāk daudz tiem netic, un ne jau tāpēc, ka viņu reģistrācija ir saistīta ar dažām īpašām grūtībām, tas ir tikai tas, ka viņu meklēšana ir saistīta ar pārāk lieliem izdevumiem. Lai aksiācija varētu sākt pārveidot virtuālos fotonus reālos, ir nepieciešami ļoti spēcīgi magnētiskie lauki - interesanti, ka magnēti ar nepieciešamajiem laukiem jau pastāv. Tirgū tiek piedāvāti 18 Tesla magnēti, ir eksperimentāli 32 Tesla magnēti, taču tie ir ļoti dārgi aparāti, kurus nav viegli iegūt. Turklāt tie, no kuriem atkarīgs šāda pētījuma finansējums, patiesībā netic aksiāciju pastāvēšanas realitātei. Varbūt kādreiz nepieciešamība meklēt aksionus padarīs šīs finansiālās grūtības pārvaramas, un līdz tam laikam magnēti var kļūt lētāki.
Neskatoties uz šķietami bezgalīgo un neauglīgo WIMP veikšanu, patiesībā viss notiek labi. Sākumā jums jāizstrādā vienkāršākā un acīmredzamākā versija - wimps. Kad tie tiks atrasti un to masa būs zināma, fiziķiem būs jādomā par to, kas ir šie WIMP - vai tie tiešām ir smagi neitīnozoni, fotonu, Z-bozona un Higsa boza superpartneru kvantu kopums, kā tagad pieņem vairums fiziķu, vai kaut kas cits - kaut kas cits. Ja WIMP nav atrasti visā iespējamo masu diapazonā, būs jāapsver alternatīvas iespējas - piemēram, meklēt WIMP citus veidus. Piemēram, ja tas ir slavenais Majorana fermions, kas pats par sevi ir antidaļiņa, tad, satiekoties, šādiem fermioniem vajadzētu iznīcināties, pārvēršoties starojumā un atstājot atmiņu par sevi fotonu pārpalikuma veidā.
Ja nav iespējas noteikt WIMP, kas faktiski šķiet maz ticams, tad būs iespējams tuvāk apskatīt iespējas ar modificētu Ņūtona mehāniku. Būs arī iespējams pārbaudīt (vēl nav skaidrs, kā) pilnīgi fantastisku versiju, kas saistīta ar septiņām papildu dimensijām, kuras prognozē stīgu teorija un kuras ir paslēptas no mums, jo tās ir salocītas Planka lieluma bumbiņās. Saskaņā ar dažiem šādas daudzdimensionalitātes modeļiem gravitācijas spēks iekļūst katrā no šīm dimensijām un tāpēc ir tik vājš mūsu trīsdimensiju pasaulē. Tomēr tas rada iespēju, ka tumšā matērija ir paslēpta šajās salocītajās dimensijās un izpaužas tikai pateicoties visuresošajam gravitācijas spēkam. Ir arī eksotiski skaidrojumi tumšajai vielai, kas saistīta ar kvantu lauku topoloģiskiem defektiem,kas rodas lielā sprādziena laikā, pastāv arī hipotēze, kas tumšo matēriju izskaidro ar telpas laika fraktalitāti, un nav šaubu, ka nepieciešamības gadījumā teorētiskie fiziķi nāks klajā ar kaut ko citu, ne mazāk oriģinālu. Vissvarīgākais ir pievienot šim sarakstam vienīgo pareizo skaidrojumu.
