Meie universumit ja selle sees asuvaid galaktikaid kujundava nähtamatu käe jahti pidavad füüsikud on pööranud pilgu pimedale poole. Täpsemalt, üks meeskond otsib iga kosmilise kivimi taga nn tumedaid footoneid, mis võiksid edastada varem tundmatut loodusjõudu.
Need footonid vahendavad kõigi normaalse mateeria ja tumeaineks nimetatud nähtamatute asjade vastastikmõju.
Kuid teadlased on juba ammu aru saanud, et loodus on nelja teadaoleva jõu poolt venitatud ja tõmmatud ning teda varjatud ja rebenenud, nii kuidas oleks võinud teine jõud nii kaua meie eest varjuda? Need neli teadaolevat jõudu moodustavad meie igapäevase eksisteerimise nurgakivi: türanlik, kuid lühikese ulatusega tugev tuumajõud, mis seob aatomituumasid omavahel; varjatud ja sosistavalt vaikne nõrk tuumajõud, mis kontrollib radioaktiivset lagunemist ja räägib subatomiliste osakestega, mida nimetatakse neutrinodeks; julge ja särav elektromagnetiline jõud, mis meie elus domineerib; ja peen gravitatsioonijõud, neliku kaugelt kõige nõrgem.
Neid nelja põhijõudu kasutades on füüsikud võimelised maalima portree meie subatomilisest ja makroskoopilisest maailmast. Puudub interaktsioon, mis ei hõlma ühte neist neljast märgist. Ja veel, müsteeriume on meie universumis, eriti kõige suuremates mõõtmetes, suhtlemise osas endiselt palju. Kui läheneda galaktikate skaalale ja kaugemale, ilmneb midagi kalast ja anname sellele kalasusele tumeaine nime.
Kas tumeaine on lihtne ja ilustamata või peidab ta sidurites hulga varem tundmatuid jõude? Nüüd on rahvusvaheline füüsikute meeskond, kirjeldades oma tööd veebis eeltrükiajakirjas arXiv, sellise jõu otsimiseks kasutanud andmehaagist suurest hadronikollerist - maailma suurimast aatomite purustajast. Nüüdseks on nende otsing tühjaks tehtud - mis on hea (omamoodi): See tähendab, et meie teadaolevad füüsikaseadused kehtivad endiselt. Kuid me ei suuda ikkagi tumedat ainet selgitada.
Kadunud pimedas
Tume aine on hüpoteetiline mateeria vorm, mis väidetavalt moodustab umbes 80% universumi kogumassist. See on selline suur asi. Me ei tea tegelikult, mis kogu selle nähtamatu lisa eest vastutab, kuid me teame, et see on olemas ja meie suurim aimdus on raskus. Uurides tähtede liikumist galaktikates ja klastrites asuvaid galaktikaid koos kosmose suurimate struktuuride evolutsiooniga, on astronoomid jõudnud peaaegu üldiselt järeldusele, et galaktikasilmaga on midagi enamat kui võimalik.
Tumeda aine parem nimi võib olla nähtamatu aine. Ehkki me võime selle järeldada selle gravitatsioonilisest mõjust (kuna Albert Einsteini kõikvõimalikust silmast ei pääse midagi), ei sega tumeaine lihtsalt valgust. Me teame seda, sest kui tume aine oleks valgusega interaktsioonis (või vähemalt siis, kui see reageeriks valgusega viisil, mida teeb tuttav mateeria), oleksime salapärast ainet praeguseks juba näinud. Kuid niipalju kui me võime öelda, tumeaine - olgu see kurat see ka pole - ei ima valgust, ei peegelda valgust, murrab valgust, hajutab valgust ega eralda valgust. Tumeda aine puhul on valgus lihtsalt persona non grata; sama hästi võib see isegi puudub.
Ja nii on olemas suur tõenäosus, et tumedad aineosakesed leegionid voolavad teie kehast praegu. Selle lõputu voolu kombineeritud mass võib gravitatsioonilise mõju kaudu kujundada galaktikate saatusi, kuid see läbib normaalse mateeria isegi ilma tereta. Ebaviisakas, ma tean, aga see on sinu jaoks tume asi.
Valguse toomine
Kuna me ei tea, millest tumeaine koosneb, on meil vabadus teha kõikvõimalikke stsenaariume, nii ilmseid kui ka väljamõeldud. Tumeda aine lihtsaim pilt ütleb, et see on suur ja põhiline. Jah, see moodustab suurema osa universumi massist, kuid see koosneb ainult ühest ülitugevast osakestest, millel pole midagi muud, kuid millel on mass. See tähendab, et materjal saab ennast gravitatsiooni kaudu teatavaks teha, kuid muidu ei suhelda see kunagi teiste jõudude kaudu. Me ei saa kunagi pilku tumedasse ainesse, tehes midagi muud.
Meeleolukad stsenaariumid on lõbusamad.
Kui teoreetikutel igav hakkab, koostavad nad ideid selle kohta, mis võiks olla tumeaine, ja mis veelgi olulisem, kuidas me seda tuvastada saaksime. Järgmine tase huvitavate tumeaine teooriate skaalal ütleb, et aine võib aeg-ajalt nõrga tuumajõu kaudu normaalse ainega rääkida. See idee motiveerib tumeda aine eksperimente ja detektoreid kogu maailmas.
Kuid ikkagi eeldatakse, et selles stsenaariumis on ainult neli loodusjõudu. Kui tume aine on varem nähtamatu osake, siis on täiesti mõistlik arvata (kuna meil pole aimugi, kas meil on õigus või mitte), et see on pakitud varem tundmatu loodusjõuga - või võib-olla paariga, kes teab ? See potentsiaalne jõud võib lasta tumedal ainel rääkida ainult tumedast ainest või võib põimida tumedat ainet ja tumedat energiat (millest me samuti aru ei saa) või avada uue suhtluskanali meie universumi normaalse ja tumeda sektori vahel .
Tumeda footoni tõus
Üks kavandatud suhtlusportaal valguse ja pimeduse vahel on nn tume footon, mis on analoogne elektromagnetilise jõu tuttava (valguse) footoniga. Me ei saa tumedaid footoneid otseselt näha ega maitsta ega nuusutada, kuid need võivad meie maailmaga seguneda. Selle stsenaariumi kohaselt eraldab tumeaine tumedaid footoneid, mis on suhteliselt massiivsed osakesed. See tähendab, et erinevalt nende valgust kandvatest kolleegidest on neil efekte vaid väikeses vahemikus. Kuid aeg-ajalt võib tume footon suhelda tavalise footoniga, muutes selle energiat ja trajektoori.
See oleks väga harv sündmus; vastasel juhul oleksime juba ammu märganud, et elektromagnetismiga toimub midagi meelepärast.
Niisiis, isegi tumedate footonite korral ei oleks meil otse tumeainet näha, vaid saaksime hämardada tumedate footonite olemasolu, uurides elektromagnetilisi interaktsioone. Pisikeses murdes neist gobidest võib tume footon selle abil suheldes tavalisest footonist energiat varastada.
Kuid nagu ma ütlesin, vajame interaktsioone. Nii lihtsalt juhtub, et oleme ehitanud hiiglaslikud teaduse masinad täpselt selle tootmiseks, nii et meil on õnne.
ArXiv paberil esitasid füüsikud oma tulemused pärast CERNi suuruselt teise osakeste kiirendi Super Proton Synchrotron kolme aasta pikkuste andmete uurimist. Selle katse jaoks purustasid teadlased prootoneid telliseina subatomilise ekvivalendi vastu ja vaatasid kõiki järelmõjusid.
Vrakist leidsid teadlased elektronid - palju neid. Kolme aasta jooksul lugesid teadlased üle 20 miljardi elektroni energiaga üle 100 GeV. Kuna elektronid on laetud osakesed ja neile meeldib üksteisega suhelda, tekitasid selle katse suure energiaga elektronid ka palju footoneid. Kui tumedad footonid on olemas, peaksid nad mõnikord koostoimima ühe tavalise footoniga ja varastama energiat - nähtus, mis ilmneks katses valguse puudusena.
See tumedate footonite otsing tuli tühjalt - kõik normaalsed footonid olid olemas ja moodustasid selle -, kuid see ei välista tumedate footonite olemasolu täielikult. Selle asemel seab see piirid nende osakeste lubatud omadustele. Kui need eksisteerivad, on need vähese energiaga (eksperimendi tulemuste põhjal vähem kui GeV) ja interakteeruvad tavaliste footonitega vaid harva.
Pimedate footonite otsimist jätkatakse katse tulevaste katsetega, mis on kavandatud aatomiaatomimaailma olemuse jaoks veelgi ulatuslikumad.
Loe lisaks: "Tumedate asjade otsing puuduvate energiaürituste korral NA64-ga"
Paul M. Sutter on astrofüüsik juures Ohio Riiklik Ülikool, host "Küsi kosmosemehelt" ja "Kosmoseraadio, "ja" autoriSinu koht universumis."
