Tumšā matērija var slēpties pie zemas enerģijas robežām - ir pierādījumi

Satura rādītājs:

Tumšā matērija var slēpties pie zemas enerģijas robežām - ir pierādījumi
Tumšā matērija var slēpties pie zemas enerģijas robežām - ir pierādījumi
Anonim

Noslēpumaini efekti jaunās paaudzes tumšās vielas detektoros varētu vēstīt par revolucionāru atklājumu. Pēdējā gada laikā zinātnieki, kas strādā ar šiem detektoriem, pēkšņi ir pamanījuši zemas enerģijas iedarbības apjoma palielināšanos vai pārsniegšanu.

Pat pēc gadu desmitiem ilgas rūpīgas meklēšanas zinātniekiem nav izdevies atrast nevienu tumšās vielas daļiņu. Zinātnieki sniedz gandrīz "dzelzs" pierādījumus par šīs matērijas formas esamību, taču līdz šim nav bijis iespējams noteikt, no kā tas patiesībā sastāv. Vairākus gadu desmitus fiziķi ir ievērojuši hipotēzi, ka tumšā matērija ir smaga un sastāv no tā sauktajām vāji mijiedarbīgajām masīvajām daļiņām - WIMP, kuras it kā var viegli noteikt laboratorijas apstākļos.

Tomēr, neskatoties uz daudzu gadu rūpīgu izpēti, zinātniekiem vēl nav izdevies atrast WIMP. Un fiziķi uzsāka meklēšanu ar vēl lielāku entuziasmu. Pētniekiem veicot arvien precīzākus eksperimentus, uzkrājot vairāk datu, tiek pārvērtētas hipotēzes, kas atklāj, kā detektori varētu uztvert tumšās vielas daļiņas, kuru masa ir vieglāka nekā protonam. Un šī gada sākumā arXiv priekšdrukas serverī. org, tika publicēti divi raksti, kas kļuva par fizikas pārmaiņu simbolu. Šajos rakstos autori pirmo reizi ierosina koncentrēt spēkus uz tumšo vielu radīto plazmonu (elektronu kolektīvo kustību matērijā) meklēšanu.

Pirmo no dokumentiem uzrakstīja zinātnieku grupa, kas specializējās tumšās vielas izpētē Nacionālajā paātrinātāja laboratorijā. Enriko Fermi (Fermilab) Batavijā, Ilinoisas štatā, kā arī speciālisti no Ilinoisas universitātes Urbana-Champaign un no Čikāgas universitātes. Zinātnieki izvirzīja hipotēzi, ka zemas masas tumšā viela spēj radīt plazmonus, un šīs daļiņas var notvert, izmantojot dažus detektorus. Iedvesmojoties no šī revolucionārā dokumenta, UC Sandjego fiziķi Tongyan Lin un Jonathan Kozaczuk aprēķināja varbūtību, ka detektori spēj noteikt zemas masas tumšo vielu.

"Mēs kliedzam" Plazons, plazmona, plazmona! "Jo šī, mūsuprāt, intriģējošā parādība palīdzēs mums izskaidrot eksperimentus ar tumšo vielu," sacīja pirmā raksta līdzautors un tumšās vielas eksperts Gordans Krnjaics no Fermilab un Kavli Kosmoloģiskās fizikas institūts Čikāgas Universitātē. Daļiņu fiziķi kopā ar astrofiziķiem jau desmit gadus ir domājuši par zemas masas tumšās vielas noteikšanas problēmu. Drīzāk par ķīmiķiem un materiālu zinātniekiem), kas ir identifikatori, marķējumi, tumšā matērija.

“Es domāju, ka tas ir lieliski,” iesaucas Jeruzalemes Ebreju universitātes teorētiķis fiziķis Jonits Hočbergs, kurš komentēja Krnjajč komandas iegūtos rezultātus (lai gan Yonit nebija tieši iesaistīts nevienā no minētajiem rakstiem). "Fakts, ka ir [plazmoni], kas spēj darboties kaut kādā nezināmā veidā, manuprāt, ir ārkārtīgi svarīgs rezultāts, kas patiešām prasa turpmāku izpēti."

Daži zinātnieki uz pirmā publicētā raksta rezultātiem skatās ar lielu skepsi. Kā to izteica Kalifornijas Tehnoloģiju institūta tumšās vielas pētniece Ketrīna Zureka, piemēram, raksts "mani nepārliecina" un piebilda: "Es vienkārši nesaprotu, kā tas darbojas." (Mēs piebilstam, ka arī Zureks nepiedalījās šo rakstu rakstīšanā).

Savukārt viens no pirmā raksta līdzautoriem Noa Kurinskis, kurš nodarbojas ar eksperimentālām darbībām tumšās vielas izpētes jomā Fermilabā un Kosmoloģiskās fizikas institūtā. Kavli uzskata, ka pats ekspertu kritikas fakts nav nekas neparasts. “Mēs izvirzījām viņiem uzdevumu: pierādīt, ka esam kļūdījušies. Un tas, manuprāt, ļoti noderēs pētījumiem, kas tiek veikti šajā fizikas jomā. To viņiem vajadzētu mēģināt darīt,”saka Kurinskis.

Apvienojiet centienus

Neredzamās vielas medības, kas gandrīz neatstāj pēdas, parasti notiek apmēram šādi: lai noteiktu tumšās vielas daļiņas, fiziķi paņem kādu materiāla gabalu, novieto to kaut kur dziļi pazemē, savieno ar iekārtu un pēc tam gaida ceru salabot signālu. Jo īpaši zinātnieki cer, ka tumšās vielas daļiņa iesitīs tieši detektorā, kā rezultātā radīsies elektroni, fotoni vai pat siltums, ko var noteikt iekārta.

Teorētiskās pieejas tumšās vielas noteikšanai tika izklāstītas rakstā, kas datēts ar 1985. gadu; tajā tika aprakstīts, kā neitrīno detektoru var izmantot, lai meklētu tumšās vielas daļiņas. Kā parādīts šajā rakstā, ienākošās tumšās vielas daļiņas var trāpīt tās vielas atoma kodolā, no kuras izgatavots detektors, un dot tai impulsu, tāpat kā viena biljarda bumba, saduroties ar otru, dod impulsu pēdējai no tām. Šīs sadursmes rezultātā tumšā matērija, pietiekami spēcīgi atsitoties pret kodolu, dotu impulsu, kā rezultātā izlidotu elektrons vai fotons.

Viss izrādās lieliski pie lielām enerģijām. Atomus detektorā var uzskatīt par brīvām daļiņām, diskrētas un savstarpēji nesaistītas. Tomēr pie mazākām enerģijām attēls mainās.

"Bet detektori nav izgatavoti no brīvām daļiņām," atzīmē pirmā raksta līdzautors Jonatans Kāns no Ilinoisas Universitātes Urbana-Champaign, kurš pēta tumšo matēriju. "Tie ir vienkārši izgatavoti no ļoti īpaša materiāla. Un tāpēc jums ir jābūt visai informācijai par šo materiālu, ja vēlaties precīzi saprast, kā jūsu detektors faktiski darbojas."

Detektora iekšpusē nelielas masas tumšās vielas daļiņa joprojām pārraidīs impulsu, bet trieciena rezultātā pārējās daļiņas neizkliedēs kā bumbiņas biljardā, bet sāks vibrēt. Citiem vārdiem sakot, šeit piemērotāka ir galda tenisa bumbas analoģija.

"Tiklīdz mēs pārietam uz tumšāku vielu ar mazāku masu, tad šeit sāk parādīties citi - smalkāki - efekti," skaidro Lins. Šie smalkie efekti nozīmē to, ko fiziķiem patīk saukt par “kolektīvu uzbudinājumu”. Un nozīme šeit ir šāda: ja vairākas daļiņas pārvietojas vienlaicīgi viena ar otru, tad ir ērtāk tās aprakstīt kā vienu veselumu, teiksim, kā skaņas vilni, kas sastāv no daudziem vibrējošiem atomiem.

Ja elektroni sāk šādi uzvesties, tad šajā gadījumā rodas plazmoni. Ja atomu kodolu grupa sāk vibrēt, tad to kolektīvo ierosmi sauc par fononu. Ar šo parādību parasti saskaras astrofiziķi un augstas enerģijas fiziķi, kas pēta tumšo matēriju; tomēr viņi to uzskata par nebūtisku.

Bet, kā savulaik atzīmēja vēlākais Nobela prēmijas laureāts fizikā Filips Andersons, “vairāk nozīmē citādi”, tas ir, mēs runājam par to, ka atzīstam faktu, ka sistēmai augot, tai var būt pilnīgi atšķirīgi uzvedības likumi [tas nozīmē Filipa Andersona raksts., 1972. "Vairāk ir atšķirīgs", tas ir, vairāk ir atšķirīgs, - apm. tulkojums]. Piemēram, ūdens piliens uzvedas ļoti atšķirīgi nekā viena ūdens molekula (H2O). "Mani pilnībā pārņem šī koncepcija," saka Jonatans Kāns.

Abos dokumentos izmantotās pieejas plazmonu ražošanai nedaudz atšķiras viena no otras. Tomēr autori nonāk pie tāda paša secinājuma: mums patiešām ir jāmeklē signāli, kas norāda uz plazmonu ražošanu. Jo īpaši saskaņā ar Lin un Kozachuk aprēķiniem plazmas veidošanās ātrums ar zemas masas tumšo vielu būtu aptuveni viena desmittūkstošā daļa no elektrona vai fotona parādīšanās ātruma. Šī vērtība var šķist maz ticama, bet fiziķiem tā ir diezgan precīza.

Enerģijas palielināšana tumsā

Vēl nesen visjutīgākie detektori tumšās vielas noteikšanai izmantoja milzu šķidro ksenona rezervuārus. Tomēr pēdējos gados tos ir aizstājuši jaunākas paaudzes mazāki cietvielu detektori. Tos pazīst ar akronīmiem EDELWEISS III, SENSEI un CRESST-III, un tie ir izgatavoti no tādiem materiāliem kā germānijs, silīcijs un scheelīts. Šādi detektori ir jutīgi pret sadursmēm ar tumšo vielu, kā rezultātā var iegūt tikai vienu elektronu.

Bet visi detektori neatkarīgi no to aizsardzības pakāpes ir jutīgi pret ārējiem trokšņiem, kuru avoti var būt, piemēram, fona starojums. Un tā pēdējā gada laikā zinātnieki, kas strādāja ar vairākiem tumšās matērijas detektoriem, pēkšņi sāka reģistrēt zema enerģijas patēriņa triecienu skaita pieaugumu vai pārsniegumu, taču viņi šo faktu pārņēma klusējot.

Kurinska un viņa kolēģu rakstā pirmo reizi tika atzīmēta ievērojama līdzība starp šādām zemas enerģijas "pārmērībām", kas novērotas dažādos eksperimentos ar tumšo vielu. Šķiet, ka daži no šiem pārsniegumiem ir koncentrēti ap 10 hercu uz kilogramu detektora masas. Un tā kā detektori ir izgatavoti no dažādiem materiāliem, tie atrodas pilnīgi dažādās vietās un darbojas atšķirīgos apstākļos viens no otra, tad diez vai ir kāds cits universāls iemesls šai dīvainajai konsistencei, izņemot tumšās vielas smalko ietekmi. Sekojošās zinātniskās debates piesaistīja citu fiziķu uzmanību, piemēram, Linu, kurš ātri ķērās pie matemātikas, kas saistīta ar plazmonu. Bet pat Lins šaubās: kā būtu, ja pašlaik veikto eksperimentu rezultāti liecinātu, ka plazmonus rada nevis tumšā viela, bet kaut kas cits? "Es nesaku, ka tumšā matērija nav cēlonis. Es tikai saku, ka tumšā matērija man pagaidām šķiet nepārliecinošs faktors,”saka Lins.

Šī hipotēze tiks atkārtoti pārbaudīta un atkārtoti pārbaudīta, jo jaunākie dati tiek iegūti no jaunākajiem tumšās vielas detektoriem. Bet nav svarīgi, vai detektori šobrīd atklāj noslēpumaino vielu vai nē. Tagad zinātnieki, kas strādā šajā fizikas jomā, pēta plazmas un citus zemas masas tumšās vielas uzvedības veidus. Pētījumi turpinās.

"Es neizslēdzu, ka mēs esam pieļāvuši daudzas kļūdas, bet tās visas izraisa interesi par sevi," saka Krzaych.

Ieteicams: