Австралійські вчені роблять кроки до розгадки однієї з найбільших таємниць Всесвіту: природи невидимої темної матерії.
Експеримент ORGAN, перший в Австралії великий детектор темної матерії, нещодавно завершив пошук гіпотетичної частинки під назвою аксіон — популярного кандидата серед теорій, які намагаються пояснити темну матерію.
ORGAN встановив нові обмеження на можливі характеристики аксіонів і таким чином допоміг звузити їх пошук. Але перш ніж ми зайдемо вперед…
Почнемо з історії
Приблизно 14 мільярдів років тому всі маленькі частинки матерії — фундаментальні частинки, які пізніше стануть вами, планетою та галактикою — були стиснуті в одну дуже щільну гарячу область.
Потім стався Великий вибух і все розлетілося. Частинки об’єдналися в атоми, які зрештою злиплися разом, утворивши зірки, які вибухнули й утворили всі види екзотичної матерії.
Через кілька мільярдів років з'явилася Земля, яка зрештою була заповнена маленькими істотами, які називаються людьми. Крута історія, правда? Виявляється, це ще не вся історія; це навіть не половина.
Люди, планети, зірки та галактики складаються зі звичайної матерії. Але ми знаємо, що звичайна матерія становить лише одну шосту частину всієї матерії у Всесвіті.
Решта складається з того, що ми називаємо темною матерією. Його назва говорить вам майже все, що ми про нього знаємо. Він не випромінює світла (тому ми називаємо його темним) і має масу (тому ми називаємо його матерією).
Якщо воно невидиме, як ми знаємо, що воно там?
Коли ми спостерігаємо за тим, як речі рухаються в просторі, ми знову і знову виявляємо, що ми не можемо пояснити наші спостереження, якщо розглядати лише те, що ми можемо побачити.
Обертові галактики є чудовим прикладом. Більшість галактик обертаються зі швидкістю, яку неможливо пояснити лише гравітаційним тяжінням видимої матерії.
Таким чином, у цих галактиках має бути темна матерія, яка забезпечує додаткову гравітацію та дозволяє їм обертатися швидше, не викидаючи частин у космос. Ми вважаємо, що темна матерія буквально утримує галактики разом.
Отже, у Всесвіті має бути величезна кількість темної матерії, яка тягне за собою все, що ми можемо побачити. Це також проходить через вас, як якийсь космічний привид. Ви просто не відчуваєте цього.
Як ми можемо це виявити?
Багато вчених вважають, що темна матерія може складатися з гіпотетичних частинок, які називаються аксіонами. Спочатку аксіони були запропоновані як частина вирішення іншої великої проблеми фізики елементарних частинок, яка називається сильною проблемою CP (про яку ми могли б написати цілу статтю).
У будь-якому випадку, після того, як було запропоновано аксіон, вчені зрозуміли, що частинка також може складати темну матерію за певних умов. Це тому, що очікується, що аксіони дуже слабко взаємодіють зі звичайною матерією, але все ще мають певну масу: дві умови, необхідні для темної матерії.
Отже, як ви шукаєте аксіони?
Ну, оскільки вважається, що темна матерія навколо нас, ми можемо створити детектори прямо тут, на Землі. І, на щастя, теорія, яка передбачає аксіони, також передбачає, що аксіони можуть перетворюватися на фотони (частинки світла) за правильних умов.
Це гарна новина, тому що ми чудово виявляємо фотони. І саме це робить ORGAN. Він створює правильні умови для аксіон-фотонного перетворення та шукає слабкі сигнали фотонів — невеликі спалахи світла, створювані темною матерією, що проходить через детектор.
Цей вид експерименту називається аксіонним галоскопом і вперше був запропонований у 1980s. Сьогодні у світі їх декілька, кожен з яких дещо відрізняється важливими способами.
Просвітлення темної матерії
Вважається, що аксіон перетворюється на фотон у присутності сильного магнітного поля. У типовому галоскопі ми створюємо це магнітне поле за допомогою великого електромагніту, який називається надпровідним соленоїдом.
Усередині магнітного поля ми розміщуємо одну або кілька порожнистих металевих камер, які призначені для уловлювання фотонів і змушують їх відскакувати всередині, полегшуючи їх виявлення.
Однак є один недолік. Усе, що має температуру, постійно випромінює невеликі випадкові спалахи світла (саме тому працюють тепловізори). Ці випадкові випромінювання або шуми ускладнюють виявлення слабких сигналів темної матерії, які ми шукаємо.
Щоб уникнути цього, ми помістили наш резонатор у холодильник для розведення. Цей модний холодильник охолоджує експеримент до кріогенних температур, приблизно −273°C, що значно знижує рівень шуму.
Чим холодніше експеримент, тим краще ми можемо «прослуховувати» слабкі фотони, які утворюються під час перетворення темної матерії.
Орієнтація на масові регіони
Аксіон певної маси перетворюється на фотон певної частоти або кольору. Але оскільки маса аксіонів невідома, експерименти повинні націлити свій пошук на різні регіони, зосереджуючись на тих, де темна матерія вважається більш імовірною.
Якщо сигнал темної матерії не знайдено, то або експеримент недостатньо чутливий, щоб почути сигнал вище шуму, або темна матерія відсутня у відповідній області маси аксіона.
Коли це трапляється, ми встановлюємо «ліміт виключення» — це просто спосіб сказати, що «ми не знайшли жодної темної матерії в цьому діапазоні мас і з таким рівнем чутливості». Це спонукає решту спільноти дослідників темної матерії спрямовувати свої пошуки в інше місце.
ORGAN є найбільш чутливим експериментом у цільовому діапазоні частот. Його останній запуск не виявив сигналів темної матерії. Цей результат встановив важливе обмеження для можливих характеристик аксіонів.
Це перший етап багаторічного плану пошуку аксіонів. Зараз ми готуємо наступний експеримент, який буде більш чутливим і націлений на новий, ще не досліджений діапазон мас.
Але чому темна матерія має значення?
Ну, наприклад, ми знаємо з історії, що коли ми інвестуємо у фундаментальну фізику, ми закінчуємо розробкою важливих технологій. Наприклад, усі сучасні обчислення ґрунтуються на нашому розумінні квантової механіки.
Ми ніколи б не відкрили електрику чи радіохвилі, якби не досліджували речі, які на той час здавалися дивними фізичними явищами, які ми не можемо зрозуміти. Темна матерія те саме.
Подумайте про все, чого досягли люди, зрозумівши лише одну шосту частину матерії у Всесвіті, і уявіть, що ми могли б зробити, якби розблокували решту.
Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.
Зображення Фото: Співпраця Illustris
