Вход / Регистрация
21.12.2024, 06:01
Выбор фона:
25.03.2014
Скоро ли мы разгадаем тайну темной материи?
Какое слово вы бы использовали для описания это субстанции? Загадочная?
Неуловимая? Невидимая? Какое угодно, но только не «обнаруженная». Однако
сегодня есть надежда, что её тайна в конце концов приоткроется.
После 80 лет безуспешных поисков учёные провели глубоко под землей
несколько экспериментов, в ходе которых удалось уловить сигналы того,
что может – подчеркиваем, лишь может – оказаться тёмной материей.
Детекторы космических аппаратов тоже фиксируют излучение, исходящее от
неких неведомых частиц, сталкивающихся друг с другом и аннигилирующих в
пространстве нашей Галактики. Что это – совпадение или же «отпечатки
пальцев» одной и той же «тёмной руки»?
Дэн Хупер, астрофизик из Чикагского университета (США), подозревает, что мы уже обнаружили то, что ищем. «Так думают немногие из моих коллег, да и сам я не уверен. Я просто не исключаю такой возможности», – говорит учёный. Если он и его единомышленники правы, новые открытия могут перевернуть все наши привычные представления о тёмной материи. Вещество, из которого на 85% состоит Вселенная, может оказаться даже более странным и необычным, чем мы ожидали.
Вселенная
Вещество, из которого на 85% состоит Вселенная, может оказаться даже более странным и необычным, чем мы ожидали
Тёмная материя называется так потому, что не испускает света и, следовательно, не видна в телескопы. Тем не менее отпечатки её гравитационного воздействия несёт на себе всё – от космического микроволнового фона до крупнейших галактических кластеров. Если бы в момент Большого взрыва её не образовалось так много, газу и пыли попросту не хватило бы силы тяготения для того, чтобы сконденсироваться в звёзды и галактики. Не будь тёмной материи, наш Млечный Путь распался бы на части. «Она является основой, необходимой для построения галактик, – говорит Джеймс Буллок, космолог из Калифорнийского университета в Ирвине (США). – Без неё Вселенная не имела бы своей теперешней структуры».
Итак, астрономы подтверждают существование загадочной субстанции, космологи наносят её на карту, но понять её природу больше всех желают, пожалуй, специалисты в области физики частиц. По их мнению, темная материя – нечто совершенное особое, выходящее за пределы Стандартной модели, которая описывает взаимодействия между элементами видимой Вселенной. Многие считают, что эта таинственная сущность может стать для нас окном в неведомый мир. Но что же она такое?
На сегодняшний день главные кандидаты на роль структурных единиц тёмной материи – вимпы, или слабовзаимодействующие массивные частицы.
Называются они так потому, что, по мнению учёных, взаимодействуют с видимым веществом только посредством гравитации и слабых ядерных сил. Обнаружить их трудно, но всё-таки возможно. Для этого за десятки лет поисков были разработаны три взаимодополняющих подхода: прямое и непрямое детектирование, а также метод столкновений в коллайдерах.
В рамках проекта CDMS реализуется технология прямого детектирования. Теоретически время от времени какой-нибудь из множества миллиардов вимпов, стремительно несущихся сквозь Галактику, вступает во взаимодействие с ядром атома внутри детектора, сообщая ему легкий толчок. Установка представляет собой пластины из кремния и германия, расположенные между сенсорами, которые регистрируют электроны и слабые вибрации, возникающие в результате таких столкновений. Для защиты прибора от фоновой радиации, способной вызывать похожие сигналы, исследователи поместили его на глубину , на дно старой шахты в штате Миннесота. Кроме того, детектор охладили до одной сотой градуса выше абсолютного нуля, чтобы свести к минимуму помехи, вызываемые тепловым шумом.
Аномалия DAMA/LIBRA
В апреле команда CDMS объявила о трёх столкновениях ядер кремния с предполагаемыми вимпами массой около 8 ГэВ – в восемь раз большей, чем у протона. Однако проведённых измерений пока недостаточно, для того чтобы утверждать об этом наверняка.
Тем не менее эти данные воодушевили охотников за тёмной материей. Дело в том, что в 2011 году команда эксперимента CoGeNT, проходившего параллельно в той же миннесотской шахте, уже сообщала об обнаружении загадочных частиц с точно такой же массой.
Тогда для заявления об открытии тоже не хватило количества измерений. Но результаты двух исследований, вместе взятые, открывают перед нами весьма радужные перспективы.
Особенно если учесть тот факт, что изначально проект CoGeNT был нацелен на изучение несколько иной проблемы – так называемой аномалии DAMA/LIBRA.
Эксперимент DAMA/LIBRA на протяжении вот уже более десятка лет проходит на глубине , в лаборатории, расположенной под национальным парком «Гран-Сассо» в Италии. Аппаратура фиксирует чёткий сигнал, усиливающийся и угасающий в зависимости от времени года именно таким образом, какого следовало бы ожидать, если бы наша планета, вращаясь вокруг Солнца, шла сквозь поток частиц тёмной материи. Причём масса этих частиц равна приблизительно 10 ГэВ, что, в общем, согласуется с данными CDMS и CoGeNT. Результаты эксперимента DAMA/LIBRA не вызывают сомнений – выражаясь языком физики, значимость сигнала имеет стандартное отклонение в 8,9s, что существенно больше 5s, требуемых для полноценного открытия.
На протяжении многих лет никто не верил, что детектор в Гран-Сассо зафиксировал действие именно тёмной материи, поскольку такой проект оставался единственным в своем роде. И вот наконец стартовал эксперимент CoGeNT. Его руководитель Хуан Коллар из Чикагского университета был немало удивлен, когда данные DAMA/LIBRA полностью подтвердились. «Мы не только убедились в существовании гало DAMA, но и обнаружили необъяснимый излишек низких энергий, а также признаки годичной модуляции», – рассказывает учёный. Скоро команда CoGeNT опубликует итоги своей четырёхлетней работы. «Я пока не могу раскрыть вам все секреты, но уверяю вас, что данные очень интересны», – говорит Коллар.
Обнаружение тёмной материи без преувеличения претендует на звание события века. Почему же учёные все ещё не празднуют успех?
Во-первых, оборудование DAMA/LIBRA фиксирует намного больше столкновений частиц, чем детекторы в других экспериментах. Пока эта проблема не решена, сообщение об открытии не может быть принято в научных кругах. Джеймс Бойс, физик из Лаборатории Джефферсона в Ньюпорт-Ньюсе (штат Виргиния, США), считает, что мера осмотрительности в данном деле должна соответствовать степени важности цели. «Заявление о том, что тёмная материя найдена, представляет собой настолько серьёзный шаг в познании Вселенной, что его нельзя делать необдуманно», – говорит он.
Во-вторых, на протяжении десятков лет господствовало убеждение, что искомые вимпы имеют на порядок большую массу – на уровне 100 ГэВ. Такие тяжёлые частицы хорошо вписываются в теорию суперсимметрии и другие теории, пытающиеся выйти за рамки Стандартной модели. А вот чересчур лёгкие вимпы противоречат ожиданиям многих учёных.
Однако главная проблема заключается в том, что в рамках эксперимента XENON – самого крупномасштабного и чувствительного в мире – не было обнаружено вообще ничего.
Команда XENON, словно группа чересчур рьяных уборщиков, отметала одно многообещающее открытие за другим, поставив под сомнение существование вимпов массой до 10 ГэВ. Выражаясь вежливым научным языком, между результатами этого и других экспериментов возникло определенное «напряжение».
Методом исключения
Елена Эйприл, руководитель коллаборации XENON, чувствует это напряжение, как никто другой. «Ужасно, когда исключаешь всё подряд и ничего не находишь», – говорит она. Она надеется, что работа её команды побудит других исследователей к созданию более чувствительных детекторов, способных обнаруживать частицы с ещё меньшими массами и ещё более низкой энергией взаимодействия. Её собственная группа в данное время конструирует аппарат, по чувствительности в 100 раз превосходящий существующий вариант XENON. Введение его в строй намечено на 2015 год.
Однако те, кто считает, что масса вимпов всё-таки может вписываться в диапазон от 7 до 10 ГэВ, не собираются сдаваться. Они подчеркивают, что выводы в каждом эксперименте всегда основаны на теоретических сведениях о характере взаимодействия тёмных частиц с ядрами разных атомов, о распределении и скорости движения тёмной материи в нашей Галактике, а также об особенностях функционирования конкретного детектора. К примеру, если допустить, что установка XENON на практике работает немного не так, как предсказывает теория, то её показания могут вполне совпасть с результатами других экспериментов, отмечает Хупер. Учёный надеется, что расставить все точки над i удастся в ходе нового крупномасштабного проекта под названием LUX (он стартует в конце года), в котором будет использоваться самый чувствительный на сегодняшний день детектор тёмной материи.
Гипотеза о легковесных вимпах подкрепляется событиями, происходящими в космосе. Несколько аппаратов ищут косвенные признаки взаимных столкновений тёмных частиц – характерное гамма-излучение или антивещество, образующееся в результате аннигиляции.
Одно из самых многообещающих наблюдений удалось сделать с помощью Космического гамма-телескопа Ферми, который в 2010 году обнаружил два гигантских гамма-излучающих пузыря, простирающихся на расстояние в 25 тысяч световых лет к северу и к югу от центра Млечного Пути. Хупер и его коллега Трейси Слэтайер из Массачусетского технологического института (США) полагают, что источником энергии в данном случае служат именно сталкивающиеся друг с другом вимпы массой от 7 до 10 ГэВ.
К сожалению, методы непрямого детектирования часто разочаровывают учёных. Так, другой зарегистрированный телескопом Ферми сигнал, который считали «дымящимся пистолетом» тёмной материи, в ходе дополнительных измерений не был обнаружен. Первые данные, полученные со спутника PAMELA и магнитного альфа-спектрометра (AMS) МКС, говорят о том, что вимпы весьма тяжёлы – а согласно показаниям ещё одного космического гамма-детектора, они в тысячи раз легче.
Вообще, если вимпы действительно существуют, то их по идее можно получить искусственно, сталкивая друг с другом высокоэнергетичные частицы – например, в Большом адронном коллайдере, расположенном близ Женевы в Швейцарии. Однако на практике это до сих пор осуществить не удалось.
Таким образом, единственный выход – продолжать наблюдения и сбор данных. Кроме того, нам необходимы более чувствительные детекторы. «Мы должны быть на сто процентов уверены в том, что говорим», – подчеркивает Роберто Баттистон, представитель команды AMS.
В отличие от экспериментаторов вроде Эйприл, теоретики не расстраиваются по поводу тщетных поисков вимпов. Напротив, многие из них считают, что отсутствие результата даёт возможность мыслить широко. «Чтобы разгадать тайну тёмной материи, мы должны рассматривать любые предположения, касающиеся того, чем она может быть, чтобы случайно не упустить из виду то, чем она действительно является», – говорит Катрин Зурек, специалист в области физики высоких энергий из Мичиганского университета в Анн-Арборе (США).
Зурек и её коллеги считают тёмный сектор Вселенной более объёмным, состоящим из множества частиц, в том числе атомов, которые могут взаимодействовать друг с другом и вступать в различные химические процессы.
По мнению учёных, от наших глаз может скрываться целый параллельный мир – зеркальное отражение нашего собственного.
В простейших моделях взаимодействие невидимых частиц обеспечивает некая новая, тёмная сила. Следовательно, в темном секторе должны присутствовать электромагнетизм и свет. Эту идею впервые высказала Селин Бем из Даремского университета (Великобритания). Переносчиком электромагнитного взаимодействия в теории Бем служит тёмный фотон, сам концепт которого сегодня лежит за пределами наших знаний о силах природы, отмечает Рувен Эссиг, специалист в области физики частиц из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Бруке (США).
Тёмная сила помогла бы объяснить многие процессы, от зарождения видимой и невидимой материи в момент Большого взрыва до формирования галактик и ещё более крупных структур. В 2008 году Слэтайер и его коллеги Нима Аркани-Намед, Дуглас Финкбайнер и Нил Вайнер опубликовали работу, в которой высказали мнение, что некая тёмная сила дальнего действия могла увеличить количество столкновений незримых частиц с детекторами DAMA/LIBRA, PAMELA и др. «Вполне логично предположить, что тёмный сектор имеет собственный набор сил, которые приводят в движение множество процессов одновременно», – говорит Вайнер.
Это открывает перед нами фантастические перспективы, утверждает Дэвид Каплан из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе (штат Мэриленд, США). Тёмные заряды делают возможным образование водородоподобных атомов и, возможно, даже тёмных звёзд. Недавно Андрей Кац и его коллеги из Гарвардского университета (штат Массачусетс) предположили, что часть невидимых атомов могла потерять былую энергию и сформировать двойные диски вокруг галактик, что объяснило бы некоторые экспериментальные аномалии.
Незримый свет
Кроме того, не исключена возможность существования тёмной антиматерии. Причём связь между ней и обычной антиматерией на ранних этапах формирования Вселенной могла бы идеально объяснить количество тёмного вещества, наблюдаемого нами сегодня.
И самое, пожалуй, замечательное состоит в том, что тёмный свет теоретически можно получить в лаборатории. Боб Холдом из Торонтского университета (Канада) ещё в 1986 году доказал, что невидимые фотоны могут взаимодействовать с обычными фотонами и электронами. «Именно поэтому в коллайдерах их обнаружить проще, чем более тяжёлые частицы», – говорит Харальд Меркель из Университета Иоганна Гуттенберга в Майнце (Германия).
Поиску тёмных фотонов посвящено множество исследований в Европе и США, в частности эксперимент Mainz Microtron, над которым работает Меркель. «Открытие этих частиц имело бы такое же значение, как обнаружение бозона Хиггса. Оно положило бы начало новой физике», – отмечает учёный.
По ту сторону Атлантики, в Лаборатории Джефферсона, прошли предварительную стадию ещё три эксперимента – Heavy Photon Search, DarkLight и APEX. В каждом из них оборудование настроено на определённый диапазон масс, так что полученные результаты будут дополнять друг друга. Первый проект – Heavy Photon Search – стартует в 2015 году после реконструкции ускорителя. Однако сотрудник лаборатории Джон Ярос, специалист в области физики высоких энергий, предупреждает: даже если тёмный фотон удастся обнаружить, установить его связь с тёмной материей будет непросто.
Учёные условились, что заявление об открытии будет сделано только в том случае, если по крайней мере в двух экспериментах совпадут данные по массе и способности тёмных частиц вступать в контакт с обыкновенным веществом и если статистическая надёжность этих данных будет высокой. «Теоретически тёмную материю можно получить искусственным путём в ускорителях, – говорит Коллар. – И ещё неплохо было бы разработать теорию, включающую в себя искомую частицу и содержащую другие положения, поддающиеся опытной проверке».
Каков бы ни был итог экспериментов, тёмная материя уже ведёт нас к новой коперниканской революции, утверждает Рафаэль Ланг из Университета Пердью в Западном Лафайете (штат Индиана, США). Если частица загадочной субстанции будет обнаружена, с неё начнётся наше долгое и трудное путешествие в глубины тёмного сектора. Если же найти её так и не удастся (или найти скоро), то претендентов на эту революцию предостаточно – от механизма функционирования гравитации, до целой новой физики за пределами Стандартной модели.
Материал опубликован в журнале New Scientist
Дэн Хупер, астрофизик из Чикагского университета (США), подозревает, что мы уже обнаружили то, что ищем. «Так думают немногие из моих коллег, да и сам я не уверен. Я просто не исключаю такой возможности», – говорит учёный. Если он и его единомышленники правы, новые открытия могут перевернуть все наши привычные представления о тёмной материи. Вещество, из которого на 85% состоит Вселенная, может оказаться даже более странным и необычным, чем мы ожидали.
Вселенная
Вещество, из которого на 85% состоит Вселенная, может оказаться даже более странным и необычным, чем мы ожидали
Тёмная материя называется так потому, что не испускает света и, следовательно, не видна в телескопы. Тем не менее отпечатки её гравитационного воздействия несёт на себе всё – от космического микроволнового фона до крупнейших галактических кластеров. Если бы в момент Большого взрыва её не образовалось так много, газу и пыли попросту не хватило бы силы тяготения для того, чтобы сконденсироваться в звёзды и галактики. Не будь тёмной материи, наш Млечный Путь распался бы на части. «Она является основой, необходимой для построения галактик, – говорит Джеймс Буллок, космолог из Калифорнийского университета в Ирвине (США). – Без неё Вселенная не имела бы своей теперешней структуры».
Итак, астрономы подтверждают существование загадочной субстанции, космологи наносят её на карту, но понять её природу больше всех желают, пожалуй, специалисты в области физики частиц. По их мнению, темная материя – нечто совершенное особое, выходящее за пределы Стандартной модели, которая описывает взаимодействия между элементами видимой Вселенной. Многие считают, что эта таинственная сущность может стать для нас окном в неведомый мир. Но что же она такое?
На сегодняшний день главные кандидаты на роль структурных единиц тёмной материи – вимпы, или слабовзаимодействующие массивные частицы.
Называются они так потому, что, по мнению учёных, взаимодействуют с видимым веществом только посредством гравитации и слабых ядерных сил. Обнаружить их трудно, но всё-таки возможно. Для этого за десятки лет поисков были разработаны три взаимодополняющих подхода: прямое и непрямое детектирование, а также метод столкновений в коллайдерах.
В рамках проекта CDMS реализуется технология прямого детектирования. Теоретически время от времени какой-нибудь из множества миллиардов вимпов, стремительно несущихся сквозь Галактику, вступает во взаимодействие с ядром атома внутри детектора, сообщая ему легкий толчок. Установка представляет собой пластины из кремния и германия, расположенные между сенсорами, которые регистрируют электроны и слабые вибрации, возникающие в результате таких столкновений. Для защиты прибора от фоновой радиации, способной вызывать похожие сигналы, исследователи поместили его на глубину , на дно старой шахты в штате Миннесота. Кроме того, детектор охладили до одной сотой градуса выше абсолютного нуля, чтобы свести к минимуму помехи, вызываемые тепловым шумом.
Аномалия DAMA/LIBRA
В апреле команда CDMS объявила о трёх столкновениях ядер кремния с предполагаемыми вимпами массой около 8 ГэВ – в восемь раз большей, чем у протона. Однако проведённых измерений пока недостаточно, для того чтобы утверждать об этом наверняка.
Тем не менее эти данные воодушевили охотников за тёмной материей. Дело в том, что в 2011 году команда эксперимента CoGeNT, проходившего параллельно в той же миннесотской шахте, уже сообщала об обнаружении загадочных частиц с точно такой же массой.
Тогда для заявления об открытии тоже не хватило количества измерений. Но результаты двух исследований, вместе взятые, открывают перед нами весьма радужные перспективы.
Особенно если учесть тот факт, что изначально проект CoGeNT был нацелен на изучение несколько иной проблемы – так называемой аномалии DAMA/LIBRA.
Эксперимент DAMA/LIBRA на протяжении вот уже более десятка лет проходит на глубине , в лаборатории, расположенной под национальным парком «Гран-Сассо» в Италии. Аппаратура фиксирует чёткий сигнал, усиливающийся и угасающий в зависимости от времени года именно таким образом, какого следовало бы ожидать, если бы наша планета, вращаясь вокруг Солнца, шла сквозь поток частиц тёмной материи. Причём масса этих частиц равна приблизительно 10 ГэВ, что, в общем, согласуется с данными CDMS и CoGeNT. Результаты эксперимента DAMA/LIBRA не вызывают сомнений – выражаясь языком физики, значимость сигнала имеет стандартное отклонение в 8,9s, что существенно больше 5s, требуемых для полноценного открытия.
На протяжении многих лет никто не верил, что детектор в Гран-Сассо зафиксировал действие именно тёмной материи, поскольку такой проект оставался единственным в своем роде. И вот наконец стартовал эксперимент CoGeNT. Его руководитель Хуан Коллар из Чикагского университета был немало удивлен, когда данные DAMA/LIBRA полностью подтвердились. «Мы не только убедились в существовании гало DAMA, но и обнаружили необъяснимый излишек низких энергий, а также признаки годичной модуляции», – рассказывает учёный. Скоро команда CoGeNT опубликует итоги своей четырёхлетней работы. «Я пока не могу раскрыть вам все секреты, но уверяю вас, что данные очень интересны», – говорит Коллар.
Обнаружение тёмной материи без преувеличения претендует на звание события века. Почему же учёные все ещё не празднуют успех?
Во-первых, оборудование DAMA/LIBRA фиксирует намного больше столкновений частиц, чем детекторы в других экспериментах. Пока эта проблема не решена, сообщение об открытии не может быть принято в научных кругах. Джеймс Бойс, физик из Лаборатории Джефферсона в Ньюпорт-Ньюсе (штат Виргиния, США), считает, что мера осмотрительности в данном деле должна соответствовать степени важности цели. «Заявление о том, что тёмная материя найдена, представляет собой настолько серьёзный шаг в познании Вселенной, что его нельзя делать необдуманно», – говорит он.
Во-вторых, на протяжении десятков лет господствовало убеждение, что искомые вимпы имеют на порядок большую массу – на уровне 100 ГэВ. Такие тяжёлые частицы хорошо вписываются в теорию суперсимметрии и другие теории, пытающиеся выйти за рамки Стандартной модели. А вот чересчур лёгкие вимпы противоречат ожиданиям многих учёных.
Однако главная проблема заключается в том, что в рамках эксперимента XENON – самого крупномасштабного и чувствительного в мире – не было обнаружено вообще ничего.
Команда XENON, словно группа чересчур рьяных уборщиков, отметала одно многообещающее открытие за другим, поставив под сомнение существование вимпов массой до 10 ГэВ. Выражаясь вежливым научным языком, между результатами этого и других экспериментов возникло определенное «напряжение».
Методом исключения
Елена Эйприл, руководитель коллаборации XENON, чувствует это напряжение, как никто другой. «Ужасно, когда исключаешь всё подряд и ничего не находишь», – говорит она. Она надеется, что работа её команды побудит других исследователей к созданию более чувствительных детекторов, способных обнаруживать частицы с ещё меньшими массами и ещё более низкой энергией взаимодействия. Её собственная группа в данное время конструирует аппарат, по чувствительности в 100 раз превосходящий существующий вариант XENON. Введение его в строй намечено на 2015 год.
Однако те, кто считает, что масса вимпов всё-таки может вписываться в диапазон от 7 до 10 ГэВ, не собираются сдаваться. Они подчеркивают, что выводы в каждом эксперименте всегда основаны на теоретических сведениях о характере взаимодействия тёмных частиц с ядрами разных атомов, о распределении и скорости движения тёмной материи в нашей Галактике, а также об особенностях функционирования конкретного детектора. К примеру, если допустить, что установка XENON на практике работает немного не так, как предсказывает теория, то её показания могут вполне совпасть с результатами других экспериментов, отмечает Хупер. Учёный надеется, что расставить все точки над i удастся в ходе нового крупномасштабного проекта под названием LUX (он стартует в конце года), в котором будет использоваться самый чувствительный на сегодняшний день детектор тёмной материи.
Гипотеза о легковесных вимпах подкрепляется событиями, происходящими в космосе. Несколько аппаратов ищут косвенные признаки взаимных столкновений тёмных частиц – характерное гамма-излучение или антивещество, образующееся в результате аннигиляции.
Одно из самых многообещающих наблюдений удалось сделать с помощью Космического гамма-телескопа Ферми, который в 2010 году обнаружил два гигантских гамма-излучающих пузыря, простирающихся на расстояние в 25 тысяч световых лет к северу и к югу от центра Млечного Пути. Хупер и его коллега Трейси Слэтайер из Массачусетского технологического института (США) полагают, что источником энергии в данном случае служат именно сталкивающиеся друг с другом вимпы массой от 7 до 10 ГэВ.
К сожалению, методы непрямого детектирования часто разочаровывают учёных. Так, другой зарегистрированный телескопом Ферми сигнал, который считали «дымящимся пистолетом» тёмной материи, в ходе дополнительных измерений не был обнаружен. Первые данные, полученные со спутника PAMELA и магнитного альфа-спектрометра (AMS) МКС, говорят о том, что вимпы весьма тяжёлы – а согласно показаниям ещё одного космического гамма-детектора, они в тысячи раз легче.
Вообще, если вимпы действительно существуют, то их по идее можно получить искусственно, сталкивая друг с другом высокоэнергетичные частицы – например, в Большом адронном коллайдере, расположенном близ Женевы в Швейцарии. Однако на практике это до сих пор осуществить не удалось.
Таким образом, единственный выход – продолжать наблюдения и сбор данных. Кроме того, нам необходимы более чувствительные детекторы. «Мы должны быть на сто процентов уверены в том, что говорим», – подчеркивает Роберто Баттистон, представитель команды AMS.
В отличие от экспериментаторов вроде Эйприл, теоретики не расстраиваются по поводу тщетных поисков вимпов. Напротив, многие из них считают, что отсутствие результата даёт возможность мыслить широко. «Чтобы разгадать тайну тёмной материи, мы должны рассматривать любые предположения, касающиеся того, чем она может быть, чтобы случайно не упустить из виду то, чем она действительно является», – говорит Катрин Зурек, специалист в области физики высоких энергий из Мичиганского университета в Анн-Арборе (США).
Зурек и её коллеги считают тёмный сектор Вселенной более объёмным, состоящим из множества частиц, в том числе атомов, которые могут взаимодействовать друг с другом и вступать в различные химические процессы.
По мнению учёных, от наших глаз может скрываться целый параллельный мир – зеркальное отражение нашего собственного.
В простейших моделях взаимодействие невидимых частиц обеспечивает некая новая, тёмная сила. Следовательно, в темном секторе должны присутствовать электромагнетизм и свет. Эту идею впервые высказала Селин Бем из Даремского университета (Великобритания). Переносчиком электромагнитного взаимодействия в теории Бем служит тёмный фотон, сам концепт которого сегодня лежит за пределами наших знаний о силах природы, отмечает Рувен Эссиг, специалист в области физики частиц из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Бруке (США).
Тёмная сила помогла бы объяснить многие процессы, от зарождения видимой и невидимой материи в момент Большого взрыва до формирования галактик и ещё более крупных структур. В 2008 году Слэтайер и его коллеги Нима Аркани-Намед, Дуглас Финкбайнер и Нил Вайнер опубликовали работу, в которой высказали мнение, что некая тёмная сила дальнего действия могла увеличить количество столкновений незримых частиц с детекторами DAMA/LIBRA, PAMELA и др. «Вполне логично предположить, что тёмный сектор имеет собственный набор сил, которые приводят в движение множество процессов одновременно», – говорит Вайнер.
Это открывает перед нами фантастические перспективы, утверждает Дэвид Каплан из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе (штат Мэриленд, США). Тёмные заряды делают возможным образование водородоподобных атомов и, возможно, даже тёмных звёзд. Недавно Андрей Кац и его коллеги из Гарвардского университета (штат Массачусетс) предположили, что часть невидимых атомов могла потерять былую энергию и сформировать двойные диски вокруг галактик, что объяснило бы некоторые экспериментальные аномалии.
Незримый свет
Кроме того, не исключена возможность существования тёмной антиматерии. Причём связь между ней и обычной антиматерией на ранних этапах формирования Вселенной могла бы идеально объяснить количество тёмного вещества, наблюдаемого нами сегодня.
И самое, пожалуй, замечательное состоит в том, что тёмный свет теоретически можно получить в лаборатории. Боб Холдом из Торонтского университета (Канада) ещё в 1986 году доказал, что невидимые фотоны могут взаимодействовать с обычными фотонами и электронами. «Именно поэтому в коллайдерах их обнаружить проще, чем более тяжёлые частицы», – говорит Харальд Меркель из Университета Иоганна Гуттенберга в Майнце (Германия).
Поиску тёмных фотонов посвящено множество исследований в Европе и США, в частности эксперимент Mainz Microtron, над которым работает Меркель. «Открытие этих частиц имело бы такое же значение, как обнаружение бозона Хиггса. Оно положило бы начало новой физике», – отмечает учёный.
По ту сторону Атлантики, в Лаборатории Джефферсона, прошли предварительную стадию ещё три эксперимента – Heavy Photon Search, DarkLight и APEX. В каждом из них оборудование настроено на определённый диапазон масс, так что полученные результаты будут дополнять друг друга. Первый проект – Heavy Photon Search – стартует в 2015 году после реконструкции ускорителя. Однако сотрудник лаборатории Джон Ярос, специалист в области физики высоких энергий, предупреждает: даже если тёмный фотон удастся обнаружить, установить его связь с тёмной материей будет непросто.
Учёные условились, что заявление об открытии будет сделано только в том случае, если по крайней мере в двух экспериментах совпадут данные по массе и способности тёмных частиц вступать в контакт с обыкновенным веществом и если статистическая надёжность этих данных будет высокой. «Теоретически тёмную материю можно получить искусственным путём в ускорителях, – говорит Коллар. – И ещё неплохо было бы разработать теорию, включающую в себя искомую частицу и содержащую другие положения, поддающиеся опытной проверке».
Каков бы ни был итог экспериментов, тёмная материя уже ведёт нас к новой коперниканской революции, утверждает Рафаэль Ланг из Университета Пердью в Западном Лафайете (штат Индиана, США). Если частица загадочной субстанции будет обнаружена, с неё начнётся наше долгое и трудное путешествие в глубины тёмного сектора. Если же найти её так и не удастся (или найти скоро), то претендентов на эту революцию предостаточно – от механизма функционирования гравитации, до целой новой физики за пределами Стандартной модели.
Материал опубликован в журнале New Scientist
Комментарии 1
|
0  
Solus
25.03.2014 11:09
[Материал]
Тёмная материя (энергия ) - обратная сторона,изнанка видимой материи,её отрицательная составляющая и обычными физическими методами её никогда не обнаружат.
Тёмная материя (энергия) - это план, по которому строится видимая Вселенная. Тёмная материя - это минус, а видимая (известная) материя - плюс. Это теория давно общепринята в мире и объясняет теорию Большого взрыва и зарождение Вселенной. |
Архив записей
Статистика
Онлайн всего: 14
Пользователей: 14
Новых: 0
Мы в соцсетях
