Fyysikot etsivät näkymätöntä kättä, joka muovaa maailmankaikkeuttamme ja siinä olevia galakseja, ovat kääntäneet katseensa pimeään puoleen. Erityisesti yksi joukkue etsii jokaisen kosmisen kallion takana ns. Tummia fotoneja, jotka voivat välittää aiemmin tuntemattoman luonnon voiman.
Nämä fotonit välittäisivät kaiken normaalin aineen ja tummanaineeksi kutsuttujen näkymättömien asioiden vuorovaikutuksen.
Mutta tutkijat ovat jo kauan ymmärtäneet, että neljä tunnettua voimaa venyttää ja vetää ja murskaa ja repii luonnon, joten kuinka toinen voima olisi voinut piiloutua meiltä niin kauan? Nämä neljä tunnettua voimaa muodostavat jokapäiväisen olemassaolomme kulmakiven: tyranninen, mutta lyhyen kantaman voimakas ydinvoima, joka sitoo atomin ytimet yhteen; epäselvä ja hiljaisen hiljainen heikko ydinvoima, joka hallitsee radioaktiivista hajoamista ja puhuu alaatomisista hiukkasista, joita kutsutaan neutrinoiksi; rohkea ja kirkas sähkömagneettinen voima, joka hallitsee elämäämme; ja hienovarainen painovoima, kvartetin ylivoimaisesti heikoin.
Näitä neljää perusvoimaa käyttämällä fyysikot kykenevät maalaamaan muotokuva subatomisista ja makroskooppisista maailmoistamme. Ei ole vuorovaikutusta, johon ei liity yhtä näistä neljästä merkistä. Ja silti, mysteerejä on edelleen runsaasti vuorovaikutuksessa maailmankaikkeudessa, etenkin suurimmissa mittakaavoissa. Kun loittamme galaksien mittakaavalle ja sen ulkopuolelle, tapahtuu jotain hämärää, ja annamme sille kalasuudelle tumman aineen nimen.
Onko pimeä aine yksinkertainen ja koristamaton vai piilottaakö se kytkimissä joukon aiemmin tuntemattomia joukkoja? Nyt kansainvälinen fyysikkojoukko, joka kuvaa työnsä verkossa preprint-lehdessä arXiv, on käyttänyt suuren haadroninkulkijan - maailman suurimman atominpuristajan - tiedonhakua tällaisen voiman etsimiseen. Toistaiseksi heidän haku on osoittautunut tyhjäksi - mikä on hyvää (eräänlaista): Se tarkoittaa, että tunnetut fysiikan lait pitävät edelleen voimassa. Mutta emme silti pysty selittämään tummaa ainetta.
Kadonnut pimeässä
Tumma aine on hypoteettinen ainemuoto, jonka sanotaan olevan noin 80% maailmankaikkeuden kokonaismassasta. Se on tavallaan iso juttu. Emme oikeastaan tiedä, mikä on vastuussa kaikesta näistä ylimääräisistä näkymättömistä asioista, mutta tiedämme, että niitä on olemassa, ja suurin vihje on painovoima. Tutkimalla tähtien liikkeitä galakseissa ja klustereiden galakseja yhdessä kosmisen suurimpien rakenteiden kehityksen kanssa, tähtitieteilijät ovat melkein yleisesti päätyneet siihen johtopäätökseen, että galaktisen silmän on enemmän kuin täyttää.
Parempi nimi tummalle aineelle voi olla näkymätön aine. Vaikka voimme päätellä sen sen painovoimavaikutuksesta (koska mikään ei pakene Albert Einsteinin kaikkea näkevää silmää), tumma aine ei vain ole vuorovaikutuksessa valon kanssa. Tiedämme tämän, koska jos tumma aine olisi vuorovaikutuksessa valon kanssa (tai ainakin, jos se olisi vuorovaikutuksessa valon kanssa tavalla, jolla tuttu aine tekee), olisimme nyt nähneet salaperäisen aineen. Mutta niin pitkälle kuin voimme kertoa, tumma aine - riippumatta siitä mikä helvetti se on - ei absorboi valoa, heijasta valoa, taiteta valoa, hajottaa valoa tai säteile valoa. Pimeän aineen kannalta valo on yksinkertaisesti persona non grata; sitä ei ehkä edes ole olemassa.
Ja niin on olemassa suuri mahdollisuus, että legioonat tumman aineen hiukkasia virtaavat kehosi läpi juuri nyt. Tuon loputtoman virran yhdistetty massa voi muokata galaktikoiden kohtalokuvia painovoiman vaikutuksen kautta, mutta se kulkee normaalin aineen läpi ilman edes tervehdyttä. Rude, tiedän, mutta se on sinulle pimeä asia.
Tuo valo
Koska emme tiedä mistä pimeä aine tehdään, voimme tehdä kaikenlaisia skenaarioita, niin arkisia kuin mielikuvituksellisiakin. Yksinkertaisin kuva tummasta aineesta sanoo, että se on iso ja perus. Kyllä, se muodostaa valtaosan universumin massasta, mutta se koostuu vain yhdestä, erittäin hedelmällisestä hiukkasesta, jolla ei ole mitään muuta kuin massaa. Tämä tarkoittaa, että materiaali voi ilmoittautua painovoiman kautta, mutta muuten ei koskaan vuorovaikutuksessa minkään muun voiman kanssa. Emme koskaan, koskaan saa välähdyksen tummasta aineesta tekemällä mitään muuta.
Kuvitteelliset skenaariot ovat hauskempia.
Kun teoreetikot kyllästyvät, he keksiä ideoita siitä, mikä tumma aine voisi olla, ja mikä tärkeintä, kuinka voimme havaita sen. Seuraava taso mielenkiintoisten tummamateriaaliteorioiden mittakaavassa sanoo, että aine voi toisinaan puhua normaaliin aineeseen heikon ydinvoiman kautta. Tämä idea motivoi pimeäainekokeita ja ilmaisimia ympäri maailmaa.
Mutta silti siinä skenaariossa oletetaan, että luonnonvoimia on edelleen vain neljä. Jos tumma aine on aikaisemmin näkymätön hiukkasten tyyppi, on täysin järkevää ehdottaa (koska meillä ei ole aavistustakaan siitä, olemmeko oikeassa vai ei), että se tulee pakattu aiemmin tuntemattomalla luonnonvoimalla - tai ehkä pari, joka tietää ? Tämä potentiaalinen voima saattaa antaa tumman aineen puhua vain tumman aineen kanssa, tai se voi yhdistää tumman aineen ja tumman energian (jota emme myöskään ymmärrä) tai se voi avata uuden viestintäkanavan maailmankaikkeuden normaalin ja pimeän sektorin välillä. .
Pimeän fotonin nousu
Yksi ehdotettu viestintäportaali valon ja pimeän alueen välillä on jotain, jota kutsutaan tummaksi fotoniksi, joka on analoginen sähkömagneettisen voiman tutulle (kevyelle) fotonille. Emme pääse näkemään, maistamaan tai haistamaan tummia fotoneja suoraan, mutta ne saattavat sekoittua maailmaan. Tässä skenaariossa pimeä aine emittoi tummia fotoneja, jotka ovat suhteellisen massiivisia hiukkasia. Tämä tarkoittaa, että heillä on vaikutuksia vain lyhyellä etäisyydellä, aivan toisin kuin heidän valoa kantavilla kollegoillaan. Mutta joskus tumma fotoni voi olla vuorovaikutuksessa normaalin fotonin kanssa, muuttaen sen energiaa ja suuntausta.
Tämä olisi hyvin harvinainen tapahtuma; muuten olisimme huomanneet jotain hienoa tapahtuvan sähkömagneettisuuden kanssa kauan sitten.
Joten edes pimeillä fotoneilla, emme pystyisi näkemään pimeää ainetta suoraan, mutta voimme nuuskata pimeiden fotonien olemassaolon tutkimalla sähkömagneettisen vuorovaikutuksen paloja. Pienessä murto-osassa näistä gobsista tumma fotoni voisi "varastaa" energiaa normaalista fotonista toimimalla sen kanssa.
Mutta kuten sanoin, tarvitsemme vuorovaikutusta. Juuri niin tapahtuu, että olemme rakentaneet jättiläisiä Machines of Science -tuotteita tuottamaan juuri sen, joten olemme onnekkaita.
ArXiv-lehdessä fyysikot ilmoittivat tuloksensa tutkittuaan kolmen vuoden mittaisia tietoja Super Proton Synchrotronista, joka on CERNin toiseksi suurin hiukkaskiihdytin. Tätä koetta varten tutkijat murskasivat protonit tiiliseinän subatomista vastaavaa vasten ja katsoivat kaikkia jälkimainingeissa olevia palasia.
Hylyistä tutkijat löysivät elektroneja - paljon niistä. Kolmen vuoden aikana tutkijat laskivat yli 20 miljardia elektronia, joiden energiat olivat yli 100 GeV. Koska elektronit ovat varautuneita hiukkasia ja haluavat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, tämän kokeen korkean energian elektronit synnyttivät myös paljon fotoneja. Jos tummia fotoneja on olemassa, niiden pitäisi joskus olla vuorovaikutuksessa yhden energian kanssa ja varastaa energiaa tavanomaisista fotoneista - ilmiö, joka ilmenee kokeessa valon puutteena.
Tämä pimeiden fotonien haku tuli tyhjäksi - kaikki normaalit fotonit olivat läsnä ja niiden osuus oli - mutta se ei täysin sulje pois tummien fotonien olemassaoloa. Sen sijaan se asettaa rajoitukset näiden hiukkasten sallituille ominaisuuksille. Jos niitä on, ne olisivat vähän energiaa (vähemmän kuin GeV, kokeen tulosten perusteella) ja toimisivat vain harvoin vuorovaikutuksessa säännöllisten fotonien kanssa.
Pimeiden fotonien etsintä jatkuu kuitenkin kokeiden tulevien ajojen ollessa kotoa vielä pidemmälle tällä ehdotetulla subatomisen maailman olennolla.
Lue lisää: "Tumma ainehaku puuttuvista energiatapahtumista NA64: n avulla"
Paul M. Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopisto, isäntä "Kysy avaruusasemalta" ja "Avaruusradio, "ja" kirjoittajaPaikkasi maailmankaikkeudessa."
