Dark Matter Just Got Murkier

{h1}

O non-descoperire îi determină pe fizicieni să regândească modul în care gândesc despre materia întunecată, „lucrurile” misterioase care pătrund în univers.

Don Lincoln este un om de știință principal la Fermilab, Departamentul de Energie al Statelor Unite, cea mai mare instituție de cercetare a coliziunilor de Hadroni din America. De asemenea, scrie despre știință pentru public, inclusiv despre recentul său "The Big Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson și alte lucruri care îți vor suflă mintea"(Johns Hopkins University Press, 2014). Îl puteți urmaFacebook. Lincoln a contribuit cu acest articol la WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Ei spun că dragostea face ca lumea să meargă în jur și asta poate fi adevărat. Dar când privești lucrurile la o scară mult mai mare - spuneți dimensiunea galaxiilor - dragostea pur și simplu nu este suficientă. Și, pentru asta, nici stelele galaxiilor nu sunt ele însele. De fapt, ceea ce face ca galaxiile să meargă în jur este un fel de materie care nu a fost niciodată observată direct. Acea „chestie” nedescoperită se numește materie întunecată și a fost anunțată recent o măsurare uimitoare nouă care determină lumea științifică să regândească gândurile de multă vreme.

Cea mai recentă contribuție la cunoașterea noastră a materiei întunecate a fost realizată prin colaborarea „Big Underground Xenon” (LUX). LUX este o navă formată dintr-o treime dintr-o tonă de xenon lichid și este cel mai puternic detector de materie întunecată construit vreodată. Situat la Sanford Underground Research Facility (SURF), acest laborator de materie întunecată se află aproape o milă sub Dealurile Negre, în apropiere de Lead, South Dakota. Este conceput pentru a detecta ocazional vântul vaporoasă de materie întunecată care se crede că arunca prin sistemul solar. [6 laboratoare de științe subterane cool]

Și este că nu a detectat nimic. Această nedescoperire este ceea ce îi determină pe fizicieni să regândească modul în care gândesc despre materia întunecată.

Ținând galaxii

Materia întunecată este un răspuns la o problemă veche de aproape un secol. La începutul anilor 1930, la scurt timp după ce astronomii și-au dat seama că universul era format din nenumărate galaxii, oamenii de știință și-au îndreptat atenția spre a înțelege dinamica modului în care stelele orbitează în cadrul galaxiilor - în esență, cum se rotesc galaxiile. Astronomul olandez Jan Oort a aplicat legile lui Newton ale mișcării și gravitației materiei observate în propria noastră cale lactee și a descoperit că galaxia noastră se rotește mai repede decât calculase el. Se pare că Calea Lactee avea de două ori masa estimată de astronomi. Desigur, aceasta a fost într-o epocă în care astronomia galactică precisă a existat și un dezacord între calcul și măsurarea a numai un factor de doi a fost considerat un acord excelent.

O coliziune violentă a grupurilor de galaxii a format clusterul galaxiei Abell 520. Hărțile în culori false suprapuse imaginii dezvăluie cea mai mare concentrație de masă din cluster (albastru), despre care oamenii de știință spun că este dominată de materia întunecată.

O coliziune violentă a grupurilor de galaxii a format clusterul galaxiei Abell 520. Hărțile în culori false suprapuse imaginii dezvăluie cea mai mare concentrație de masă din cluster (albastru), despre care oamenii de știință spun că este dominată de materia întunecată.

Cu toate acestea, la scurt timp după măsurarea lui Oort, astronomul bulgar-elvețian Fritz Zwicky a studiat Coma Cluster, un grup mare de peste o mie de galaxii care erau legate între ele prin gravitatea lor reciprocă într-o structură enormă. Când a măsurat viteza galaxiilor, a descoperit că și ei se deplasau mult prea repede pentru ca gingășia blândă a gravitației să le țină împreună. Din toate drepturile, grupul ar fi trebuit să se despartă. Dar nu a făcut-o. El a calculat că clusterul deținea de 400 de ori mai multă materie decât se putea vedea de telescoapele obișnuite. Măsurătorile moderne au redus acest număr, dar se consideră că discrepanța este încă un factor de 100. Zwicky a propus că există un tip de materie nevăzută care ținea împreună clusterul pe care l-a numit „dunkle Materie” sau materie întunecată. [TED-Ex Talk: Cum explică materia întunecată viteza unei stele?]

În anii 70, astronomul Vera Rubin încerca să găsească un subiect necontroversat pe care să-l studieze atunci când și-a îndreptat atenția asupra curbelor de rotație ale galaxiilor. Aceasta este o măsură a vitezei orbitale a stelelor din galaxii, în funcție de distanța lor față de centru. Ea a descoperit că măsurătorile erau de acord cu predicțiile foarte bine în centrul galaxiei și chiar se apropiau de periferie. Dar, în chiar marginea galaxiei, stelele orbitau mult mai repede decât ar putea fi acceptate de legile cunoscute ale fizicii și de materia respectată. Părea că materia întunecată a lui Zwicky ar putea apărea și în interiorul galaxiilor. (În mod clar, Rubin a eșuat epic în încercarea ei de a găsi un subiect non-controversat.)

De-a lungul deceniilor, mai multe idei au fost propuse pentru a explica o serie extinsă de mistere astronomice, de la posibilitatea ca legile mișcării lui Newton să nu se aplice atunci când accelerațiile devin mici, până la ideea că atât Newton, cât și Einstein au greșit în ceea ce privește gravitația. Aceste ipoteze nu au supraviețuit unor testări riguroase. O altă idee a fost că poate există în Univers tipuri de materie care nu emit energie electromagnetică... aceasta a fost materia întunecată a lui Zwicky.

Dar, chiar și aici, existau multe posibilități. Cea mai plauzibilă opțiune a fost aceea că universul găzduia o menagerie cu găuri negre, pitici maro, planete necinstite și alte obiecte întunecate care constau din același fel de materie obișnuită care compune componenta vizibilă a universului. Aceste obiecte sunt masive, compacte și destul de reci încât nu emit lumină ca stelele. Au fost găsite unele obiecte ca acestea, dar nu sunt suficiente pentru a rezolva misterul. Și astfel, sondajele astronomice din anii 90 au exclus complet această idee. Luând o pagină de la Sherlock Holmes în „The Sign of Four”, în care spunea: „Când ați exclus imposibilul, orice rămâne, oricât de improbabil, trebuie să fie adevărul”, oamenii de știință au fost nevoiți să concluzioneze că o nouă formă de materie întunecată invizibilă pătrunde în univers. Poate chiar mai surprinzător, se pare că există de cinci ori mai multă materie întunecată decât materia obișnuită.

Proprietățile materiei întunecate

Nu am observat niciodată în mod direct materia întunecată, dar știm foarte multe despre ce trebuie să fie: Trebuie să fie masiv (pentru că afectează rotația galaxiilor); trebuie să fie neutru din punct de vedere electric (pentru că nu îl putem vedea); aceasta trebuie să fie diferită de materia obișnuită (pentru că nu vedem nicio dovadă care să interacționeze cu materia în modurile obișnuite); și trebuie să fie stabil (pentru că a existat încă din zorii universului). Aceste proprietăți sunt fără echivoc.

Cu toate acestea, nu știm exact ce este. În cea mai populară teorie generică, particula de materie întunecată este numită WIMP, pentru interacțiunea slabă a particulelor masive. WIMP-urile sunt ca neutronii grei (dar cu siguranță nu neutronii), cu o masă de 10 până la 100 de ori mai grea decât un proton. Au fost create în cantități mari în timpul Big Bang-ului și un rest restant de relicve persistă până în zilele noastre.

Când cosmologii adaugă ideea WIMP la ideile lor de Big Bang, ei pot calcula cum ar interacționa. Ei descoperă că în primele etape ale universului, WIMP-urile erau o formă dominantă a materiei, dar, pe măsură ce universul se extinde și se răcește, iar rata de interacțiune scade la zero, cantitatea relicvă de WIMP este de aproximativ cinci ori mai masivă decât materia obișnuită. Combinate cu faptul că ideea WIMP poate explica și un mister teoretic apăsător de ce particulele bosonului Higgs are o masă atât de mică, oamenii de știință numesc aceasta „miracolul WIMP”, având în vedere că ideea WIMP pare să răspundă atât de mult întrebări.

O întunecare non-descoperire

Așadar, acest lucru ne readuce la experimentul LUX. Este pur și simplu cel mai recent și cel mai puternic experiment conceput pentru a detecta WIMP-urile. Ideea este ca detectorul să stea mult timp în subteran, să zicem un an sau mai mult, iar un WIMP rar va intra într-un atom de xenon și va fi detectat. (Detectorul este îngropat sub pământ pentru a-l proteja de razele cosmice, care s-ar topi în atomii de xenon și ar falsifica o detectare a materiei întunecate. Fiind o jumătate de milă sau un kilometru subteran oprește aproape toate razele cosmice.)

Volumul de mai sus, parte a colaborării xenonului subteran mare, va fi umplut cu xenon lichid și poate fi detectată orice interacțiune cu xenonul, dezvăluind posibil identificarea materiei întunecate.

Volumul de mai sus, parte a colaborării xenonului subteran mare, va fi umplut cu xenon lichid și poate fi detectată orice interacțiune cu xenonul, dezvăluind posibil identificarea materiei întunecate.

Pe 27 august, cercetătorii LUX și-au anunțat rezultatele. Ei nu au văzut nicio dovadă pentru WIMP-urile cu întuneric.

Deci nu este chiar atât de surprinzător. Au fost zeci de experimente care au căutat materia întunecată și nu au găsit nimic. În acest sens, LUX s-a alăturat unui grup venerabil. Dar LUX este, de asemenea, mult mai capabil. Era de așteptat să aibă un impact mai bun la găsirea WIMP-urilor decât orice alt aparat.

Dar nu a făcut-o.

Deci asta înseamnă că ideea WIMP este moartă? Nu, nu chiar. Detectoarele de materie întunecată sunt optimizate pentru a fi cele mai sensibile la anumite mase, cum ar fi modul în care un anumit microfon ar putea ridica voci tenore mai bune decât cele auzite de soprano sau bass. LUX a fost optimizat pentru a găsi un WIMP cu o masă de câteva zeci de ori mai grea decât un proton. De fapt, a exclus un WIMP având o masă de 50 de ori a unui proton cu o respingere impresionantă. Cu toate acestea, LUX nu face atât de bine la detectarea WIMP-urilor cu o masă sub 10 ori mai mare decât a unui proton. Și, dacă WIMP-urile există și au o masă de 1.000 de ori mai grea decât un proton, aceasta nu este, de asemenea, gama optimă de investigare a LUX. Rămâne deci o serie de mase în care ar putea exista un WIMP.

Axiuni, viață întunecată și încărcare întunecată

Chiar și așa, WIMP-urile au fost pur și simplu ideea cea mai populară pentru materia întunecată. Există și alte ipoteze. O ipoteză indică o particulă numită neutrino steril, care este un văr al neutrinului mai familiar generat în reacțiile nucleare. De fapt, neutrinii din cel mai mare reactor nuclear din apropiere (soarele) prăpădesc constant Pământul. Spre deosebire de neutrinii obișnuiți, care sunt ultra-ușori și interacționează prin forța nucleară slabă, neutrinii sterili sunt grei și nu experimentează forța slabă. Masa grea și calitățile care nu interacționează fac din neutrinul steril un candidat ideal pentru materia întunecată.

O altă posibilă particulă de materie întunecată, axionul, a fost propusă în 1977 ca o modalitate de a se asigura că forța nucleară puternică a tratat materia și antimateria în condiții de egalitate (așa cum sunt de acord cu observațiile). Axa este o particulă foarte ușoară, dar totuși masivă, ipotetică. Detectorul LUX nu este proiectat pentru a studia axiile.

Apoi, desigur, există o ipoteză și mai creativă, care sugerează că materia întunecată nu este o particulă unică, neutră, care nu interacționează. La urma urmei, chestiunea obișnuită este destul de complicată. La scara cuantică, avem quark-uri și leptone și patru forțe. La scara macro, avem pe tine și cu mine și zahăr, stele și vulcani și toate diferitele moduri în care interacționează. Materia obișnuită are tot felul de interacțiuni și constituenți. De ce nu contează materia? [7 Fapte ciudate despre Quarks]

Conform acestei ipoteze, materia întunecată ar putea avea o „sarcină întunecată” sau o formă de sarcină electrică a materiei întunecate. În același mod în care materia întunecată nu experimentează încărcare întunecată, poate că materia obișnuită nu are încărcătură întunecată. Această încărcare întunecată ar interacționa cu fotoni întunecați sau gemenii întunecați de particule obișnuite de lumină.

Și, chiar mai îndrăzneț, poate că materia întunecată experimentează multe forțe și există un întreg sector întunecat complex, cu atomi întunecați și molecule întunecate și poate chiar viață întunecată. Suntem capabili să stabilim restricții asupra acestor posibile interacțiuni întunecate; de exemplu, știm suficient pentru a exclude stelele și planetele întunecate, dar asteroizii întunecați sunt posibile. Din nou, LUX tace cu privire la aceste idei noi.

Nu este corect să spunem că măsurarea LUX duce la o criză în fizica și cosmologia particulelor. Dar, cu siguranță, le oferă oamenilor de știință pauză și sugerează că poate ar trebui să aruncăm o altă privire asupra acestui lucru WIMP. Poate că alte idei trebuie revizuite. Pe de altă parte, oamenii de știință care doresc să continue să urmărească ideea WIMP mai au ceva de așteptat pe măsură ce tehnologia avansează. LUX folosește o treime dintr-o tonă de xenon lichid. În 10 sau 15 ani, oamenii de știință intenționează să construiască detectori care ar putea conține 100 de tone, oferind și mai multe șanse de a capta acea interacțiune rară cu WIMP. Acestea sunt perioade grele pentru a fi un om de știință în materie de întuneric.

Dar, până la urmă, încă nu știm. Știm doar că capacitățile LUX sunt suficient de bune încât poate este timpul să ne lărgim gândirea. În cuvintele trupei de rock Buffalo Springfield, „Se întâmplă ceva aici. Ceea ce nu este tocmai clar...”

Urmăriți toate problemele și dezbaterile Expert Voices - și deveniți parte a discuției - pe Facebook, Twitter și Google+. Opiniile exprimate sunt cele ale autorului și nu reflectă neapărat opiniile editorului. Această versiune a articolului a fost publicată inițial pe WordsSideKick.com.






Descoperiri Științifice

Cercetare


Science News


Femeile Care Caută Orgasm Găsesc Puțin Ajutor Din Știință
Femeile Care Caută Orgasm Găsesc Puțin Ajutor Din Știință

Flying Rainmakers: Avioanele Modifică Vremea Punând Găuri În Nori
Flying Rainmakers: Avioanele Modifică Vremea Punând Găuri În Nori

Cuvântul Tipărit Va Supraviețui În Epoca Internetului? (Op-Ed)
Cuvântul Tipărit Va Supraviețui În Epoca Internetului? (Op-Ed)

Experiențe Aproape De Moarte Explicate De Știință
Experiențe Aproape De Moarte Explicate De Știință

În Fotografii: Cranii Umane Sculptate Descoperite Pe Site-Ul Ritualic
În Fotografii: Cranii Umane Sculptate Descoperite Pe Site-Ul Ritualic


RO.WordsSideKick.com
Toate Drepturile Rezervate!
Reproducerea Oricăror Materiale Permise Prostanovkoy Doar Link-Ul Activ La Site-Ul RO.WordsSideKick.com

© 2005–2020 RO.WordsSideKick.com