Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Как найти темную материю

04.04.2012 Наука и жизнь

Так выглядит детектор чёрной материи опыта LUX (Large Underground Xenon), установленный в пещере Дэвис Сэнфордской подземной лаборатории в штате Южная Дакота в бывшей золотой шахте на глубине в полтора километра.

В первой половине 30-ых годов XX века американский астролог швейцарского происхождения Фриц Цвикки, замечая за шестью сотнями галактик в скоплении Кома, расположенном в 300 млн световых лет от Млечного Пути в направлении созвездия Волосы Вероники (Coma Berenices), понял, что масса этого скопления, определенная исходя из скорости перемещения галактик (так называемая динамическая масса), в 50 раза больше массы, вычисленной посредством оценки светимости звезд. С такой же дефицитом массы в галактическом кластере Вирго тремя годами позднее столкнулся американец Синклер Смит.

Столь важное расхождение было нереально растолковать погрешностью расчетов, исходя из этого ученые заключили, что Млечный Путь и кое-какие спиральные галактики содержат несветящееся вещество, масса которого существенно превышает массу звезд. Это «невидимое» вещество Цвикки в первой половине 30-ых годов XX века назвал чёрной материей.Как найти темную материю Голландский астролог Ян Оорт внес предложение данный термин годом раньше, но применял его для изложения ошибочной догадки.

Исходя из этого отцом чёрной материи считается все же Цвикки.

Альтернативы

Весьма долго чёрная материя мало кого интересовала. Астрологи полагали, что неприятность скрытой массы разрешится по окончании того, как удастся собрать более все данные о космическом газе и весьма тусклых звездах. Обстановка начала изменяться только по окончании того, как в первой половине 70-ых годов XX века американские астрологи Вера Кент и Рубин Форд опубликовали результаты газовых скоростей облаков и измерений звёзд большой спиральной галактики М31 — туманности Андромеды.

Против всех ожиданий оказалось, что далеко от ее центра эти скорости приблизительно постоянны. Через пара лет они взяли подобные эти для десятков спиральных галактик, а скоро их подтвердили и другие исследователи.

Дело в том, что скорость планеты, обращающейся около одиночной звезды, обратно пропорциональна квадратному корню из радиуса ее орбиты — следовательно, с расстоянием она монотонно убывает. Это связано с тем, что сила тяготения звезды убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, а вторых источников тяготения в данной совокупности нет. Главная масса галактики, наоборот, приходится на звезды и газовые скопления, находящиеся на приличных расстояниях от ее ядра.

Исходя из этого скорости внутригалактических объектов по мере удаления от ядра должны возрастать, достигнуть максимума, а после этого убывать до малых значений. Вот этого именно найти и не удалось: по окончании прохождения максимума скорости уменьшались, но к нулю не стремились.

Позднее обнаружились и другие странности. Так, в тусклых эллиптических галактиках скорости звезд на периферии по большому счету не хотели падать и выходили на предельные значения, неспешно увеличиваясь. К началу 1980-х годов астрологи заподозрили, что для галактических динамики скоплений и объяснения галактик нужно учитывать какие-то ранее малоизвестные факторы.

Действительно, многие еще долго винили в расхождениях с теорией гравитационное действие невидимых скоплений холодного газа и остывших белых карликов, но эти сведенья в итоге не подтвердились. Исходя из этого вот уже более тридцати лет в борьбе за интерпретацию аномалий соперничают два разных подхода. Первый из них основан на переписывании второго закона Ньютона, второй — на поиске новых источников гравитационных полей в галактических масштабах.

Прав ли Ньютон?

Растолковать стабилизацию звездных скоростей на внешних границах спиральных галактик в принципе не особенно тяжело. Достаточно высказать предположение, что ньютоновский закон глобального тяготения не работает на огромных расстояниях, сравнимых с удаленностью периферийной звезды от галактического центра. Допустим, что сила притяжения таких звезд к центральной области галактики значительно уменьшается обратно пропорционально расстоянию, другими словами куда медленней, чем предписано Ньютоном.

В этом случае звездные скорости на периферии будут постоянными и ненулевыми. Но эта несложная догадка ведет к выводам, каковые наблюдениями не подтверждаются.

В начале 1980-х израильский физик Мордехай Милгром продемонстрировал, что замечаемые странности возможно растолковать, в случае если откорректировать фундаментальный закон механики Ньютона, в соответствии с которым ускорение пропорционально действующей на тело силе. Милгром высказал предположение, что малые ускорения пропорциональны не силе, а ее квадратному корню. Эта концепция известна как модифицированная ньютоновская динамика (Modified Newtonian Dynamics, MOND).

На ее базе созданы протоколы вычислений, разрешившие растолковать не только поведение звездных скоростей, но и еще многие особенности динамики галактик. Позднее теорию Милгрома обобщили и расширили ее возможности, что разрешило растолковать эффект гравитационного линзирования, что для первой версии MOND оставался неразрешимой задачей.

Парадигма MOND была на уникальность жизнеспособной. Вплоть сейчас она имеет уверенных, не смотря на то, что и не через чур бессчётных приверженцев, каковые продолжают ее совершенствовать. Но большая часть экспертов все-таки уверены в том, что галактические странности возможно растолковать и без радикального покушения на базы ньютоновской динамики, которое требует и пересмотра неспециализированной теории относительности.

В один момент с MOND начала формироваться соперничающая парадигма. Она основана на догадке, в соответствии с которой в создании галактических гравитационных полей участвуют частицы, до сих пор ускользающие от наблюдения. Их-то сейчас и именуют чёрной материей.

Чёрные частицы

Гипотетические частицы данной таинственной материи пришли в астрономию из космологии. Лет сорок назад стало ясно, что отечественная Вселенная владеет плоской либо практически плоской геометрией, и исходя из этого средняя плотность ее вещества обязана не через чур различаться от 10-29 г/см3. Уже тогда было разумеется, что известного науке вещества для этого никак не достаточно. Проблему возможно было устранить, предположив, что масса бессчётных реликтовых нейтрино образовывает порядка 20 электронвольт.

Ученые, выступившие с данной идеей, полагали, что массивные нейтрино скапливаются на периферии галактических скоплений и создают поля тяготения, нужные для стабилизации звездных скоростей. Так в первый раз было высказано предположение, что чёрная материя может иметь небарионную природу, другими словами состоять не из нейтронов и протонов. Но, эта догадка не подтвердилась, потому, что со временем стало ясно, что масса всех трех разновидностей нейтрино не превышает десятых долей электронвольта.

Но во второй половине 70-ых годов двадцатого века его соавторы и Джеймс Ганн высказали предположение, что от Громадного взрыва имели возможность остаться значительно более массивные стабильные частицы небарионной природы, каковые и составляют чёрную материю. Подобно нейтрино, они электрически нейтральны и, следовательно, не смогут излучать и поглощать фотоны — в другом случае их бы легко нашли.

Через шесть лет было продемонстрировано, что скопления аналогичных частиц смогут вырабатывать гравитационные колодцы, каковые содействуют образованию галактик и стабилизируют скорости периферийных звезд. Эти частицы из-за громадной массы уже на стадии рождения первых галактик (а практически значительно раньше) обязаны двигаться большое количество медленнее света. Исходя из этого их именуют холодными — в отличие от «тёплых» нейтрино, движущихся практически что со скоростью света.

Так к середине 1980-х годов появилась концепция холодной чёрной материи, которая господствует до сих пор.

С того времени прошло тридцать лет — срок большой. За это время теоретики придумали множество предположений частиц чёрной материи (и не только холодной), а экспериментаторы сконструировали и опробовали разные детекторы, предназначенные для их регистрации. Но воз и сейчас в том месте. Поиск бозона Хиггса занял в общем итоге 23 года (1989−2012), и проводился он на трех коллайдерах: LEP, Тэватроне и БАК.

Чёрную материю с 1990 года ищут на десятке установок, но пока бесполезно.

Холодные кандидаты

Бозон Хиггса стал последней новооткрытой частицей, чье существование было предсказано на базе господствующей теории микромира — стандартной модели элементарных частиц. Частицы чёрной материи, в случае если и существуют, данной теорией не описываются. В холодном варианте они должны быть нерелятивистскими, весьма слабо взаимодействовать между собой и с простой материей и никак (в крайнем случае практически) не взаимодействовать с фотонами.

Одновременно с этим они должны создавать поля тяготения, как и частицы стандартной модели. Исходя из этого их именуют слабовзаимодействующими массивными частицами, либо вимпами (Weekly Interacting Massive Particles, WIMP).

Как показывают модельные вычисления, вимпы смогут быть в десятки либо, что возможнее, в тысячи и сотни раз тяжелее протона. Нельзя исключать, что их найдут если не на БАК, то на суперколлайдере нового поколения с суммарной энергией столкновений в 100 ТэВ (порядка 100?000 протонных весов), сооружение которого начнется по окончании 2020 года.

Самые популярные претенденты на звание вимпов предложены на базе теории суперсимметрии. Она говорит, что у каждой частицы стандартной модели имеется так называемый суперпартнер (либо суперпартнеры), чей спин на? отличается от ее собственного. Исходя из этого частицам с полуцелым поясницей, фермионам, соответствуют суперпартнеры с целым поясницей, бозоны, а суперпартнерами бозонов являются фермионы. Суперчастицы смогут распадаться, но самая легкая из них обязана быть стабильной.

Как раз ее вычисляют лучшим кандидатом на роль частицы чёрной материи и пробуют зарегистрировать в большинстве опытов. Из всех теоретически мыслимых предположений таковой частицы эксперты предпочитают нейтралино — квантовую смесь суперпартнеров фотона, Z-бозонов и бозона Хиггса.

Вимпы и виспы

История бесплодных поисков вимпов долга и увлекательна, как хороший детективный роман, но мы ограничимся двумя событиями. В апреле 2013 года участники коллаборации CDMS сказали о вероятной регистрации трех столкновений вимпов с ядрами кремния в криогенном детекторе, установленном на глубине 700? м в ветхом руднике в Миннесоте.

Всего через полгода эти сведенья решительно опровергли члены группы LUX, трудившиеся с детектором на жидком ксеноне, собранном на глубине 1480? м в закрытой в 2002 году шахте Хоумстейк в Южной Дакоте. Их нулевой итог по большому счету ставит под сомнение существование легких вимпов с весами от 20 до 100 ГэВ, потому, что в этом диапазоне детектор проекта LUX по уровню чувствительности занимает ведущую плозицию в мире.

на данный момент подготавливается новый цикл измерений протяженностью в 300 дней, результатов которого ученые ожидают с великим нетерпением. Эта же несколько трудится над созданием детектора LZ на 7 т ксенона, что может вступить в эксплуатацию в 2019 году.

Косвенный поиск чёрной материи в большинстве случаев направлен на регистрацию гамма-квантов, каковые смогут появиться при столкновениях вимпов в дальнем космосе, в Солнца а также в земных глубинах. Потому, что природа вимпов малоизвестна, никто в точности не знает, что необходимо искать и как трактовать полученные результаты. По крайней мере конкретных ответов до тех пор пока нет.

Отсутствие прогресса в отыскивании вимпов сейчас повысило интерес к еще одному семейству кандидатов в чёрную материю, легким слабовзаимодействующим частицам — виспам (Weakly Interacting Slim Particles, WISP). Громаднейшее внимание уделяют аксионам, каковые во второй половине 70-ых годов XX века изобрели Роберто Печчеи и Элен Квинн. Эти физики пробовали разрешить достаточно неприятную проблему теории сильных ядерных сотрудничеств — квантовой хромодинамики.

В ее главное уравнение не заложено сохранение CP-симметрии, которая осуществляет зеркальное отражение и меняет частицы на античастицы. Нарушение симметрии должно приводить к появлению у нейтрона дипольного электрического момента, чего не отмечается в опыте. Печчеи и Квинн внесли предложение прекрасную модель, снимающую это несоответствие.

Из нее вытекает существование легких стабильных частиц, каковые не несут зарядов, но в сильных магнитных полях индуцируют происхождение фотонов. Это и имеется аксионы. Позднее космологи продемонстрировали, что аксионы смогут быть приемлемыми кандидатами в частицы чёрной материи.

Аксионы должны быть намного легче нейтрино — в соответствии с теоретическим оценкам, их веса измеряются всего лишь миллионными долями электронвольта. Как ни необычно, наряду с этим они движутся с нерелятивистскими скоростями — это все еще «холодная» версия чёрной материи. Очень много таких частиц имело возможность появиться практически сразу после Громадного взрыва и обеспечить нехватающую массу.

Ищут их В первую очередь 1990-х — и опять-таки напрасно.

Имеется и другие версии чёрной материи — сверхтяжелые реликтовые частицы, реликтовые черные дыры, суперпартнеры аксионов (аксино) или гравитонов (гравитино) и «зеркальная материя». Но это уже чистая экзотика.

деньги и Техника

«Для поиска чёрной материи созданы очень действенные детекторы различных типов, — говорит доктор наук Дэвид Клайн, организатор интернациональной конференции Dark Matter 2014, которая прошла в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в феврале 2014 года. — на данный момент нужно повышать их чувствительность, которая зависит от массы рабочего тела. Опыт группы LUX до тех пор пока ничего не дал, но их установка содержит только 370 кг ксенона. А вот коллаборация DARWIN разрабатывает 25-тонный ксеноновый детектор.

Наилучшие шансы, по моему точке зрения, имеют детекторы на сжиженных добропорядочных газах — ксеноне и аргоне. Уже удалось расширить их возможности на четыре-пять порядков, а в ближайщее время возможно ожидать скачка еще в три-четыре порядка. В данной области экспериментаторы опережают теоретиков».

Одновременно с этим поиск аксионов фактически буксует. И дело не в технике, а в деньгах. В случае если аксион и существует, его возможно зарегистрировать только в весьма сильных магнитных полях, где он превращает виртуальные фотоны в настоящие. Для этого превосходно подошли бы 18-тесловые магниты, каковые имеется на рынке, а значительно лучше — экспериментальные 32-тесловые. Они стоят громадных денег, а их не так.

Те, кто в Соединенных Штатах финансирует эту область физики, не через чур верят в существование аксионов, а в других государствах ими фактически и не занимаются. на данный момент в Университете Сиэтла подготавливается опыт ADMX, участники которого постараются найти аксионы посредством сверхпроводящего магнита с напряженностью поля около 8 Тл. В таких полях от аксиона ожидаются очень не сильный сигналы, а их возможно искать до бесконечности. «Так что тут, — констатирует доктор наук Клайн, — скорых результатов не дождаться».

Дэвид Клайн считает, что наилучший кандидат в частицы чёрной материи — это нейтралино с массой от 500 до 1000 ГэВ. Детектор LUX имеет пик чувствительности в районе 30 ГэВ, исходя из этого неудивительно, что он ничего не нашёл. Но в 2015 году вступит в строй детектор на 1−3??т ксенона, его шансы на успех уже повыше.

А позже покажутся и более замечательные установки, за которыми будущее.

Заметить вимп

Вимпы ищут косвенными методами и прямыми. Прямой поиск направлен на обнаружение их столкновений с ядрами простого вещества, служащего рабочим телом детектора.

В 1 м3 пространства вблизи земной поверхности от нескольких сотен до нескольких тысяч вимпов. При столкновениях они теряют часть кинетической энергии и отдают ее детектору. Хоть такие столкновения происходят всего пара раз в день, а выделяемая энергия мала, их возможно зарегистрировать и отделить от столкновений с земными радионуклидами и космическими лучами.

Имеется три главных метода прямой регистрации вимпов.

1. При отскоке ядра смогут излучаться кванты света (сцинтилляция), каковые уловят фотоумножители.

2. При столкновении с вимпом атом может превратиться в ион, утратить часть электронов, каковые возможно детектировать.

3. В случае если в качестве рабочего тела употребляется жёсткое вещество, столкновения возбуждают колебания его кристаллической решетки, каковые также возможно отследить (дабы их выделить из теплового фона, кристалл нужно охладить практически до полного нуля). В настоящих опытах эти методы возможно скомбинировать.

Ксеноновый детектор

Самыми чувствительными детекторами WIMP являются установки на жидком ксеноне. В них употребляется комбинированный подход: регистрируются как сцинтилляционные фотоны, так и электроны ионизации, что разрешает идентифицировать сотрудничества с разными частицами по времени и относительному положению этих событий, отсеивать «шум» (столкновения с известными частицами) и выделять среди событий те, каковые подходят под схемы сотрудничества с частицами чёрной материи. В отыскивании легкости

Один из перспективных кандидатов на звание чёрной материи — аксион, самая узнаваемая из слабовзаимодействующих частиц (WISP). Эту легкую (порядка миллионной доли электронвольта) стабильную незаряженную частицу, теоретически предсказанную в рамках квантовой хромодинамики для объяснения отсутствия нарушения CP-симметрии, сложно найти, но в сильных магнитных полях аксион может индуцировать происхождение фотонов.

Этот эффект и употребляется в опытах по поиску аксионов, каковые условно возможно назвать «свет через стенке»: лазерное излучение направляется на непрозрачную стенку, перед которой (и за ней) установлены сверхпроводящие магниты, генерирующие замечательное магнитное поле. Существует возможность, что фотон в сильном магнитном поле перед стенкой «конвертируется» в аксион, что пройдет через преграду, а после этого опять «конвертируется» в фотон, что уже возможно найти посредством весьма чувствительных детекторов.

Экспериментаторы приступили к поиску аксионов пара лет назад. В 2007 году в германской ускорительной лаборатории DESY стартовал опыт Any Light Particle Search, ALPS-I, завершенный в 2010 году. На данный момент в DESY подготавливается значительно более действенный опыт ALPS-II, что, быть может, разрешит найти свидетельства существования слабовзаимодействующих легких частиц.Статья «Дело ясное, что дело чёрное» размещена в издании «Популярная механика» (№140, июнь 2014).

Случайные записи:

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ [Откуда здесь это?]


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , , ,