Nastanak tamne materije
Ponekad se čini da se tamna materija osvećuje znanstvenicima zbog nepažnje s kojom je otkriće prije više od 80 godina. Potom je 1933. američki astronom švicarskog porijekla Fritz Zwicky, promatrajući šest stotina galaksija u klasteru Koma smještenog 300 milijuna svjetlosnih godina od Mliječnog puta, otkrio da je masa ovog klastera, određena na temelju brzine kretanja galaksija, 50 puta veća od mase izračunava se procjenom svjetline zvijezda.
Nemajući ni najmanju predstavu o tome koja je to razlika u masi, dao mu je sada službenu definiciju - tamnu tvar.
Dugo vremena vrlo malo ljudi se zanimalo za tamnu materiju. Astronomi su vjerovali da će se problem skrivene mase riješiti sam kada je moguće prikupiti potpunije informacije o kozmičkom plinu i vrlo slabim zvijezdama. Situacija se počela mijenjati tek nakon što su američki astronomi Vera Rubin i Kent Ford objavili rezultate mjerenja brzina zvijezda i plinskih oblaka u velikoj spiralnoj galaksiji M31 - maglici Andromeda 1970. godine. Nasuprot svim očekivanjima, pokazalo se da su te brzine daleko od njegovog središta približno konstantne, što je bilo u suprotnosti s newtonskom mehanikom i dobilo je objašnjenje samo pod pretpostavkom da je galaksija okružena velikom količinom nevidljive mase.
Kad naiđete na fenomen o kojem se ništa ne zna, tada mu se može pripisati veliki broj objašnjenja, a preostaje samo razvrstati ih jedno po drugo, pomesti na stranu beskorisne i izmisliti nove uz put. Štoviše, nije činjenica da će među svim tim objašnjenjima biti točna. Nepravilno ponašanje perifernih zvijezda moglo bi se objasniti pomicanjem u dva smjera - laganim ispravljanjem Newtonovih zakona ili prepoznavanjem da postoji materija na svijetu drugačija od našeg, koju mi ne vidimo, jer čestice od kojih je sastavljena ne sudjeluju u elektromagnetskoj interakciji, tada oni ne emitiraju svjetlost i ne apsorbiraju je, interakcijom s našim svijetom djeluju samo gravitacijom.
Je li Newton pogriješio?
Prvi smjer, odnosno protu-newtonska korekcija, razvijao se prilično sporo. Točno je da je 1983. izraelski teoretičar Mordechai Milgrom stvorio takozvanu modificiranu njujtonsku mehaniku u kojoj mala ubrzanja reagiraju na djelujuću silu nešto drugačije od načina na koji smo učili u školi. Ova je teorija pronašla mnogo sljedbenika i ubrzo je razvijena do te mjere da je potreba za tamnom materijom nestala. Znakovito je da je i sama Vera Rubin, međunarodno priznata pionirka u proučavanju tamne materije, uvijek bila sklona modifikaciji Newtonovih zakona - čini se da joj se jednostavno nije svidjela ideja o tvari koja je u izobilju, ali koju nitko nikada nije vidio.
Promotivni video:
Neumoljivi wimp
Postoji mnogo kandidata za čestice tamne materije, a za većinu njih postoji generalizirajuće i gotovo besmisleno ime "WIMPs" - ovo je engleska kratica WIMP, izvedena iz izraza "slabo interaktivne masivne čestice", ili "slabo interaktivne masivne čestice". Drugim riječima, to su čestice koje sudjeluju samo u gravitacijskim i slabim interakcijama - njegov se učinak proteže na dimenzije mnogo manje od dimenzija atomskog jezgra. Danas su glavni napori znanstvenika usmjereni na potragu za tim WIMP-ovima kao najopsežnije objašnjenje.
WIMP detektori, posebno oni koji ih snimaju za ksenon, u principu su slični neutrinskim zamkama. U jednom se vremenu čak i vjerovalo da je neutrino vrlo neuhvatljiv WIMP. No, masa ove čestice pokazala se premalom - poznato je da je 84,5% sve materije u Svemiru tamna materija i, prema proračunima, na toj masi neće biti toliko neutrina.
Princip je jednostavan. Uzmimo, recimo, ksenon kao najteži plemeniti plin, ohlađen do temperature dušika, i po mogućnosti niže, zaštićen od nepotrebnih "gostiju" poput kozmičkih zraka, oko foto posude s ksenonom instalirano je puno fotoćelija, a cijeli taj sustav smješten je duboko pod zemljom, nastavlja pričekati. Jer morate dugo čekati - prema proračunima, duljina zamke s ksenonom, koja će moći snimiti WIMP koji prolazi kroz nju s 50-postotnom vjerojatnošću, trebala bi biti 200 svjetlosnih godina!
Ovdje „hvatanje“podrazumijeva ili let vimpa blizu ksenonskog atoma, i let na takvoj udaljenosti na kojoj slaba interakcija već djeluje, ili izravan pogodak u jezgru. U prvom će slučaju vanjski elektron ksenonskog atoma izbaciti iz njegove orbite, što će biti zabilježeno promjenom naboja, u drugom će skočiti na drugu razinu i odmah se vratiti „kući“s naknadnom emisijom fotona, koju registriraju fotomultiplikatori.
Osjećaj ili greška?
Međutim, "jednostavan" nije sasvim prava riječ kada se primijeni na WIMP detektore. Nije baš lako i jako skupo. Jedan od tih detektora pod nekompliciranim imenom Xenon postavljen je u podzemni talijanski laboratorij Gran Sasso. Do danas je već dva puta modificiran i sada nosi naziv Xenon1T. Temeljito se čisti od nečistoće koja može dovesti do signala sličnih signalima iz tamne materije. Primjerice, iz jednog od tipičnih zagađivača - radioaktivnog izotopa kripton-85. Sadržaj u komercijalnom ksenonu iznosi samo nekoliko dijelova na milijun, ali kada tražite WIMP-ove, to je posve nečistoća. Stoga, počevši s drugom izmjenom postrojenja - Xenon100 - fizičari dodatno pročišćavaju ksenon, smanjujući koncentraciju onečišćujućih tvari na stotine triliona.
XENON100 detektor
Foto: Wikimedia Commons
I uključeći detektor, oni su, naravno, rekli nježno „tek“. Tijekom prvih 100-dnevnog promatranja, znanstvenici su zabilježili čak tri impulsa, vrlo slična signalima iz letećih WIMP-ova. Nisu vjerovali sami sebi, iako su vjerojatno stvarno željeli vjerovati, ali to je bila 2011. godina koju je već obilježila snažna punkcija: fizičari su otkrili da neutrini koji stižu do njih iz CERN-a tijekom drugog pokusa lete brzinom većom od svjetlosne brzine. Znanstvenici su, provjerivši, čini se da se sve što se može samo provjeriti, obratili znanstvenoj zajednici sa zahtjevom da vide što ide po zlu. Kolege su gledale i nisu mogle pronaći pogreške, rekavši, međutim, da to ne može biti, jer to nikada ne bi moglo biti. I tako se dogodilo: proboj, kao što se ispostavilo, bio je samo jedan priključak s lošim kontaktom, što je bilo teško primijetiti.
I sada, pod težinom takvog fijaska, znanstvenici su se opet suočili s izborom. Ako su ovo WIMPS, onda je ovo zajamčena Nobelova nagrada i neposredna. A ako ne? Drugi put nisu htjeli biti nečasni i počeli su provjeravati i ponovno provjeravati. Kao rezultat, pokazalo se da dva od tri signala mogu biti parazitski signali iz pozadinskih atoma zagađivača, koji nisu u potpunosti eliminirani. A preostali signal uopće nije upadnuo u statistiku, pa bi bilo najbolje zaboraviti na to i ne sjećati se više.
Detektor nije vidio "ništa"
Još jedno „samo“zvučalo je kada su predstavnici suradnje koji rade na najosjetljivijem detektoru tamne materije LUX (Veliki podzemni ksenon), koji se nalazi u napuštenom rudniku zlata u Južnoj Dakoti, najavili da su promijenili kalibraciju detektora. Nakon toga imali su nadu, graničivši sa sigurnošću, da će se dugoočekivano „pravedno“konačno obistiniti. LUX detektor, koji je od prvog dana postojanja bio mnogo osjetljiviji od talijanskog, dvostruko je osjetljiv na teške WIMP i 20 puta osjetljiviji na pluća.
LUX detektor
Foto: Veliki podzemni Xenon detektor
Tijekom prve sesije promatranja od 300 dana, koja je započela u ljeto 2012. i završila u travnju 2013., LUX nije vidio ništa, čak ni tamo gdje je mogao vidjeti nešto barem iz pristojnosti. Kao što je rekao Daniel McKinsey, član suradnje LUX-a na Sveučilištu Yale, "Nismo vidjeli ništa, ali vidjeli smo ovo" ništa "bolje nego iko prije nas."
Kao rezultat ovog "ničega", nekoliko obećavajućih verzija potpuno je odbačeno odjednom, posebno u odnosu na "lagane" WIMP-ove. Što nije dodalo suradnju simpatizera među onima čije je verzije LUX odbio. Kolege su ih napali s čitavom gomilom prigovora zbog nemogućnosti pravilno postavljanja eksperimenta - reakcija je prilično standardna i očekivana.
Fizičari ne znaju apsolutno ništa o masi WIMP-ova - ako oni uopće postoje. Sada se pretraga provodi u rasponu masa od 1 do 100 GeV (masa protona je oko 1 GeV). Mnogi znanstvenici sanjaju WIMP-ove s masom od stotinu protona, jer čestice s takvom masom predviđaju super-simetrijsku teoriju, koja zapravo još nije postala teorija, ali je samo vrlo lijep, ali spekulativan model i koji mnogi predviđaju sudbinu nasljednika Standardnog modela. To bi bio pravi poklon pristalicama supersimetrije, pogotovo sada, kada eksperiment na Velikom hadronskom sudaraču još nije zabilježio nijednu česticu koju je predvidio.
Druga sesija promatranja na LUX detektoru, koja će se završiti sljedeće godine, trebala bi, zahvaljujući kalibracijama koje smo već spomenuli na početku, ozbiljno povećati osjetljivost detektora i pomoći u hvatanju svodnika raznih masa (prethodno je LUX bio podešen na najveću osjetljivost od oko 34 GeV), detektirajući njihove signale gdje prethodno su bili zanemareni. Drugim riječima, sljedeće godine očekuje nas još jedno i vrlo odlučno "pravedno".
Ako se to ne dogodi, tada je također u redu: sljedeći LZ detektor, koji je mnogo osjetljiviji, već je spreman za zamjenu LUX-a. Očekuje se da će biti lansiran nekoliko godina kasnije. U isto vrijeme, suradnja DARWIN-a priprema "čudovište" kapaciteta 25 tona ksenona, ispred kojeg je LUX sa svojih 370 kg plina "slijep" i beskoristan za bilo što. Tako izgleda wimpam - ako postoje - jednostavno se nema kamo sakriti, a prije ili kasnije oni će se osjećati. Fizičari im daju ne više od deset godina za to.
Wimp ili wisp?
Ako kvrgavi nastave ustrajati u svojoj neuhvatljivosti, onda još uvijek postoji aksija, koju također treba potjerati. Aksije su hipotetičke čestice koje su američki fizičari Roberto Peccei i Helen Quinn uveli 1977. kako bi se oslobodili kvantna kromodinamika nekih kršenja simetrije. To su, u stvari, također Wimpsi, koji pripadaju podkategoriji lakših wissa (slabo djelujuće tanke čestice), ali imaju jednu posebnost: u jakom magnetskom polju moraju inducirati fotone pomoću kojih ih se može lako otkriti.
Danas je malo ljudi zainteresirano za sjekire, pa čak i zato što ljudi previše ne vjeruju u njih, a ne zato što su njihova registracija povezana s nekim posebnim poteškoćama, samo je njihova potraga povezana s previsokim troškovima. Da bi aksion mogao pretvoriti virtualne fotone u stvarna potrebna su vrlo jaka magnetska polja - zanimljivo, magneti s potrebnim poljima već postoje. Tržište nudi 18 Tesla magneta, postoje eksperimentalna 32 Tesla magneta, ali to su vrlo skupi strojevi i nije ih lako dobiti. Osim toga, oni o kojima ovisi financiranje takvih istraživanja, zapravo ne vjeruju u stvarnost postojanja aksiona. Možda će jednog dana potreba za traženjem osovina učiniti ove financijske poteškoće nepremostivim, a do tada bi magneti mogli postati jeftiniji.
Unatoč naizgled beskrajnoj i besplodnoj potrazi za WIMP-ovima, stvari zapravo dobro teku. Za početak, morate razraditi najjednostavniju i najočitiju verziju - wimps. Kad ih pronađu, a njihova masa je poznata, fizičari će morati razmišljati o tome što su ti WIMP-ovi - jesu li uistinu teški neutralnosi, kvantni skup superpartnera fotona, Z-bozona i Higgsovog bozona, kao što većina fizičara sada pretpostavlja, ili nešto slično - nešto drugo. Ako WIMP-ove ne pronađete u čitavom rasponu mogućih masa, bit će potrebno razmotriti alternativne mogućnosti - na primjer, potražite WIMP-ove na druge načine. Na primjer, ako je to slavni majoranski fermion, koji je i sam antičestica, onda se, susrećući, takvi fermioni trebaju uništiti, pretvarajući se u zračenje i ostavljajući sjećanje o sebi u obliku viška fotona.
Ako ne postoji način otkrivanja WIMP-ova, što se zapravo čini malo vjerojatnim, tada će biti moguće detaljnije pogledati opcije s modificiranom Newtonovom mehanikom. Također će se moći provjeriti (još nije jasno kako) potpuno fantastičnu verziju povezanu sa sedam dodatnih dimenzija predviđenih teorijom struna, koje su skrivene od nas, jer su uvijene u kuglice veličine Plancka. Prema nekim modelima takve višedimenzionalnosti, gravitacijska sila prodire u svaku od tih dimenzija i zato je tako slaba u našem trodimenzionalnom svijetu. Međutim, ovo otvara mogućnost da se tamna tvar krije u tim uvijenim dimenzijama i da se manifestira samo zahvaljujući sveprisutnoj gravitaciji. Postoje i egzotična objašnjenja za tamnu tvar koja su povezana s topološkim oštećenjima kvantnih polja,koja nastaje tijekom Velikog praska, postoji i hipoteza koja objašnjava tamnu tvar fraktalnošću prostora-vremena, i nema sumnje da će, ako je potrebno, teorijski fizičari smisliti nešto drugo, ne manje originalno. Najvažnije je ovom popisu dodati jedino ispravno objašnjenje.