Munculnya materi gelap
Kadang-kadang tampaknya itu adalah materi gelap itu sendiri yang membalas dendam pada para ilmuwan atas kurangnya perhatian yang ditemukannya lebih dari 80 tahun yang lalu. Kemudian, pada tahun 1933, astronom Amerika asal Swiss Fritz Zwicky, mengamati enam ratus galaksi di gugus Coma yang terletak 300 juta tahun cahaya dari Bima Sakti, menemukan bahwa massa gugus ini, yang ditentukan berdasarkan kecepatan pergerakan galaksi, adalah 50 kali lebih besar dari massanya. dihitung dengan memperkirakan luminositas bintang.
Tidak memiliki gagasan sedikit pun tentang apa perbedaan massa ini, dia memberikan definisi yang sekarang resmi - materi gelap.
Untuk waktu yang sangat lama, sangat sedikit orang yang tertarik pada materi gelap. Para astronom percaya bahwa masalah massa tersembunyi akan terselesaikan dengan sendirinya jika dimungkinkan untuk mengumpulkan lebih banyak informasi lengkap tentang gas kosmik dan bintang yang sangat redup. Situasi mulai berubah hanya setelah astronom Amerika Vera Rubin dan Kent Ford menerbitkan hasil pengukuran kecepatan bintang dan awan gas di galaksi spiral besar M31 - nebula Andromeda pada tahun 1970. Diluar semua dugaan, ternyata jauh dari pusatnya, kecepatan ini kira-kira konstan, yang bertentangan dengan mekanika Newton dan mendapat penjelasan hanya dengan asumsi bahwa galaksi dikelilingi oleh sejumlah besar massa tak terlihat.
Ketika Anda menemukan sebuah fenomena yang tidak diketahui apa-apa, maka sejumlah besar penjelasan dapat dikaitkan dengannya, dan yang tersisa hanyalah memilah-milahnya satu per satu, menyingkirkan yang tidak berguna dan menciptakan yang baru di sepanjang jalan. Selain itu, bukanlah fakta bahwa di antara semua penjelasan ini akan benar. Perilaku bintang periferal yang tidak tepat dapat dijelaskan dengan bergerak ke dua arah - dengan sedikit mengoreksi hukum Newton atau mengakui bahwa ada materi di dunia ini yang berbeda dari kita, yang tidak kita lihat, karena partikel penyusunnya tidak berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik, maka mereka tidak memancarkan cahaya dan tidak menyerapnya, berinteraksi dengan dunia kita hanya melalui gravitasi.
Apakah Newton salah?
Arah pertama, yaitu koreksi kontra-Newtonian, berkembang agak lamban. Benar, pada tahun 1983 ahli teori Israel Mordechai Milgrom menciptakan apa yang disebut mekanika Newtonian yang dimodifikasi, di mana percepatan kecil bereaksi terhadap gaya akting yang agak berbeda dari cara kita diajar di sekolah. Teori ini mendapat banyak pengikut dan segera dikembangkan sedemikian rupa sehingga kebutuhan akan materi gelap menghilang. Patut dicatat bahwa Vera Rubin sendiri, seorang pelopor yang diakui secara internasional dalam studi materi gelap, selalu cenderung ke arah modifikasi hukum Newton - tampaknya dia sama sekali tidak menyukai gagasan tentang zat yang berlimpah, tetapi tidak pernah dilihat oleh siapa pun.
Video promosi:
Pengecut yang sulit dipahami
Ada banyak kandidat untuk partikel materi gelap, dan kebanyakan dari mereka ada nama umum dan hampir tidak berarti "WIMPs" - ini adalah singkatan bahasa Inggris WIMPs, dibentuk dari istilah "Partikel Masif Berinteraksi Lemah", atau "partikel masif yang berinteraksi dengan lemah". Dengan kata lain, ini adalah partikel yang berpartisipasi hanya dalam interaksi gravitasi dan lemah - efeknya meluas ke dimensi yang jauh lebih kecil daripada dimensi inti atom. Pencarian WIMPs ini sebagai penjelasan paling sugestif yang diarahkan pada upaya utama para ilmuwan hari ini.
Detektor WIMP, terutama yang menangkapnya untuk xenon, pada prinsipnya mirip dengan perangkap neutrino. Pada suatu waktu bahkan diyakini bahwa neutrino adalah WIMP yang sangat sulit dipahami. Tetapi massa partikel ini ternyata terlalu kecil - diketahui bahwa 84,5% dari semua materi di Semesta adalah materi gelap dan, menurut perhitungan, tidak akan ada banyak neutrino pada massa ini.
Prinsipnya sederhana. Ambil, katakanlah, xenon sebagai gas mulia terberat, didinginkan hingga suhu nitrogen, dan sebaiknya lebih rendah, terlindung dari "tamu" yang tidak perlu seperti sinar kosmik, banyak fotosel dipasang di sekitar bejana xenon, dan seluruh sistem ini, terletak jauh di bawah tanah, lanjutkan menunggu. Karena Anda harus menunggu lama - menurut kalkulasi, panjang perangkap dengan xenon, yang akan dapat menangkap WIMP yang melewatinya dengan probabilitas 50 persen, seharusnya 200 tahun cahaya!
Di sini, penangkapan diartikan sebagai penerbangan dari pengecut di dekat atom xenon, dan penerbangan pada jarak di mana interaksi lemah sudah bekerja, atau serangan langsung ke inti. Dalam kasus pertama, elektron terluar dari atom xenon akan terlempar keluar dari orbitnya, yang akan didaftarkan oleh perubahan muatan, dalam kasus kedua, ia akan melompat ke tingkat lain dan segera kembali ke "rumah" dengan emisi foton berikutnya, yang kemudian didaftarkan oleh fotomultiplier.
Sensasi atau kesalahan?
Namun, "sederhana" bukanlah kata yang tepat saat diterapkan pada detektor WIMP. Ini tidak mudah dan sangat mahal. Salah satu detektor ini dengan nama sederhana Xenon dipasang di laboratorium bawah tanah Gran Sasso Italia. Sampai saat ini, telah dua kali dimodifikasi dan sekarang diberi nama Xenon1T. Itu benar-benar dibersihkan dari kotoran yang dapat menyebabkan sinyal yang mirip dengan sinyal dari materi gelap. Misalnya, dari salah satu polutan khas - isotop radioaktif kripton-85. Isinya dalam xenon komersial hanya beberapa bagian per juta, tetapi ketika mencari WIMPs itu sangat kotor. Oleh karena itu, dimulai dengan modifikasi kedua instalasi - Xenon100 - fisikawan juga memurnikan xenon, mengurangi konsentrasi polutan hingga ratusan bagian per triliun.
Detektor XENON100
Foto: Wikimedia Commons
Dan menyalakan detektor, mereka, tentu saja, mengatakan "hampir". Selama sesi observasi 100 hari pertama, para ilmuwan mencatat sebanyak tiga impuls, sangat mirip dengan sinyal dari WIMP terbang. Mereka tidak percaya diri, meskipun mereka mungkin benar-benar ingin percaya, tapi itu tahun 2011, sudah ditandai dengan tusukan yang kuat: fisikawan menemukan bahwa neutrino yang tiba di sana dari CERN dalam rangka percobaan lain terbang dengan kecepatan melebihi kecepatan cahaya. Para ilmuwan, setelah memeriksa, tampaknya, segala sesuatu yang hanya dapat diverifikasi, beralih ke komunitas ilmiah dengan permintaan untuk melihat apa yang salah. Kolega mencari dan tidak dapat menemukan kesalahan, namun mengatakan bahwa ini tidak mungkin, karena tidak akan pernah. Dan begitulah yang terjadi: tusukan, ternyata, hanya satu konektor dengan kontak yang buruk, yang sulit untuk diperhatikan.
Dan sekarang, di bawah beban kegagalan seperti itu, para ilmuwan kembali dihadapkan pada pilihan. Jika ini adalah WIMPS, maka ini adalah Hadiah Nobel yang dijamin, dan langsung. Dan jika tidak? Kedua kalinya mereka tidak mau dihina, dan mereka mulai memeriksa dan memeriksa kembali. Hasilnya, ternyata dua dari tiga sinyal mungkin merupakan sinyal parasit dari atom polutan latar belakang, yang tidak sepenuhnya dihilangkan. Dan sinyal yang tersisa tidak masuk ke statistik sama sekali, jadi hal terbaik adalah melupakannya dan tidak mengingatnya lagi.
Detektor tidak melihat "apa-apa"
Suara "baru akan" terdengar ketika perwakilan dari kolaborasi yang mengerjakan detektor materi gelap paling sensitif LUX (Large Underground Xenon), yang terletak di tambang emas yang ditinggalkan di South Dakota, mengumumkan bahwa mereka telah mengubah kalibrasi detektor. Setelah itu, mereka memiliki harapan, berbatasan dengan kepastian, bahwa "hampir" yang ditunggu-tunggu akhirnya akan menjadi kenyataan. Detektor LUX, yang sejak hari pertama keberadaannya jauh lebih sensitif daripada detektor Italia, dua kali lebih sensitif terhadap WIMP yang parah dan 20 kali lebih sensitif terhadap paru-paru.
Detektor LUX
Foto: Detektor Xenon Bawah Tanah Besar
Selama sesi observasi 300 hari pertama, yang dimulai pada musim panas 2012 dan berakhir pada April 2013, LUX tidak melihat apa-apa, bahkan di mana ia bisa melihat sesuatu setidaknya karena kesopanan. Seperti yang dikatakan Daniel McKinsey dari Universitas Yale, anggota kolaborasi LUX, "Kami tidak melihat apa-apa, tetapi kami melihat 'tidak ada' ini lebih baik daripada siapa pun sebelum kami."
Sebagai hasil dari "ketiadaan" ini, beberapa versi yang menjanjikan benar-benar dibuang sekaligus, terutama dalam kaitannya dengan WIMP "ringan". Yang tidak menambah kolaborasi simpatisan dari antara mereka yang versinya ditolak oleh LUX. Rekan kerja menyerang mereka dengan banyak celaan karena ketidakmampuan mereka untuk menyiapkan eksperimen dengan benar - reaksinya cukup standar dan diharapkan.
Fisikawan sama sekali tidak tahu apa-apa tentang massa WIMPs - jika memang ada. Sekarang pencarian dilakukan dalam rentang massa dari 1 hingga 100 GeV (massa proton sekitar 1 GeV). Banyak ilmuwan memimpikan WIMP bermassa seratus proton, karena partikel dengan massa seperti itu diprediksi oleh teori supersimetrik, yang sebenarnya belum menjadi teori, tetapi hanya model yang sangat indah, tetapi spekulatif dan banyak yang memprediksi nasib penerus Model Standar. Ini akan menjadi hadiah nyata bagi para pendukung supersimetri, terutama sekarang, ketika percobaan di Large Hadron Collider belum mencatat satupun partikel yang diprediksinya.
Sesi observasi kedua pada detektor LUX, yang akan berakhir tahun depan, harus, berkat kalibrasi yang telah disebutkan di awal, secara serius meningkatkan sensitivitas detektor dan membantu menangkap pengecut dari berbagai massa (sebelumnya LUX disetel ke sensitivitas tertinggi sekitar 34 GeV), mendeteksi sinyal mereka di mana mereka sebelumnya diabaikan. Dengan kata lain, tahun depan "hampir" yang lain dan sangat menentukan menanti kita.
Jika "hampir" ini tidak terjadi, maka tidak masalah: detektor LZ berikutnya, yang jauh lebih sensitif, sudah disiapkan untuk menggantikan LUX. Diharapkan akan diluncurkan beberapa tahun kemudian. Di saat yang sama, kolaborasi DARWIN sedang mempersiapkan sebuah "monster" berkapasitas 25 ton xenon, yang di depannya LUX, dengan gas 370 kg, tampak "buta" dan tidak berguna untuk apa pun. Jadi sepertinya wimpam - jika mereka ada - tidak akan punya tempat untuk bersembunyi, dan cepat atau lambat mereka akan membuat diri mereka terasa. Fisikawan memberi mereka tidak lebih dari sepuluh tahun untuk ini.
Wimp atau wisp?
Jika pengecut terus bertahan dalam elusiveness mereka, maka masih ada axion, yang juga harus dikejar. Axion adalah partikel hipotetis yang diperkenalkan pada tahun 1977 oleh fisikawan Amerika Roberto Peccei dan Helen Quinn untuk menyingkirkan kromodinamika kuantum dari beberapa kerusakan simetri. Ini sebenarnya juga Wimps, yang termasuk dalam sub-kategori gumpalan ringan (Partikel Tipis Berinteraksi Lemah), tetapi mereka memiliki satu kekhasan: dalam medan magnet yang kuat, mereka harus menginduksi foton yang dengannya mereka dapat dengan mudah dideteksi.
Saat ini, hanya sedikit orang yang tertarik pada axions, dan bahkan bukan karena orang tidak terlalu mempercayainya, dan bukan karena pendaftaran mereka dikaitkan dengan beberapa kesulitan khusus, hanya saja pencarian mereka dikaitkan dengan biaya yang terlalu besar. Agar axion mulai mengubah foton virtual menjadi nyata, diperlukan medan magnet yang sangat kuat - yang menarik, magnet dengan medan yang diperlukan sudah ada. Pasar menawarkan 18 magnet Tesla, ada magnet eksperimental 32 Tesla, tetapi ini adalah mesin yang sangat mahal dan tidak mudah didapat. Selain itu, mereka yang mendanai penelitian semacam itu tidak terlalu percaya pada realitas keberadaan axions. Mungkin suatu hari nanti kebutuhan untuk mencari axions akan membuat kesulitan keuangan ini dapat diatasi, dan pada saat itu magnet dapat menjadi lebih murah.
Terlepas dari pengejaran WIMP yang tampaknya tak ada habisnya dan tidak membuahkan hasil, semuanya berjalan dengan baik. Untuk memulainya, Anda perlu mengerjakan versi yang paling sederhana dan paling jelas - pengecut. Ketika mereka ditemukan, dan massanya diketahui, fisikawan harus memikirkan apa itu WIMPs - apakah mereka benar-benar netralino berat, sekumpulan superpartner kuantum dari foton, Z-boson dan Higgs boson, seperti yang diasumsikan sebagian besar fisikawan, atau semacamnya- sesuatu yang lain. Jika WIMP tidak ditemukan di seluruh rentang massa yang mungkin, perlu mempertimbangkan opsi alternatif - misalnya, mencari WIMP dengan cara lain. Misalnya, jika ini adalah Majorana fermion yang terkenal, yang dengan sendirinya merupakan antipartikel, maka, pertemuan, fermion tersebut harus musnah, berubah menjadi radiasi dan meninggalkan ingatan tentang diri mereka sendiri dalam bentuk kelebihan foton.
Jika tidak ada cara untuk mendeteksi WIMP, yang sebenarnya tampaknya tidak mungkin, maka dimungkinkan untuk melihat lebih dekat pada opsi dengan mekanika Newtonian yang dimodifikasi. Dimungkinkan juga untuk memeriksa (belum jelas bagaimana) versi yang benar-benar fantastis terkait dengan tujuh dimensi tambahan yang diprediksi oleh teori string, yang tersembunyi dari kami, karena mereka digulung menjadi bola seukuran Planck. Menurut beberapa model multidimensi, gaya gravitasi menembus ke dalam masing-masing dimensi ini dan oleh karena itu sangat lemah di dunia tiga dimensi kita. Namun, hal ini meningkatkan kemungkinan bahwa materi gelap tersembunyi dalam dimensi yang menggulung ini dan memanifestasikan dirinya hanya berkat gravitasi yang ada di mana-mana. Ada juga penjelasan eksotis untuk materi gelap yang terkait dengan cacat topologis bidang kuantum,yang muncul selama Big Bang, ada juga hipotesis yang menjelaskan materi gelap melalui fraktalitas ruang-waktu, dan tidak ada keraguan bahwa, jika perlu, fisikawan teoretis akan menghasilkan sesuatu yang lain yang tidak kalah orisinal. Yang paling penting adalah menambahkan satu-satunya penjelasan yang benar ke daftar ini.
