Noin 80% kaikesta kosmossa olevasta aineesta on muodoltaan täysin tuntematonta nykyiselle fysiikalle. Kutsumme sitä pimeäksi aineeksi, koska parhaimmin voimme kertoa, että se on ... pimeää. Kokeilut ympäri maailmaa yrittävät kaapata kulkevan tumman aineen hiukkasen toivoen ymmärtävän sitä, mutta toistaiseksi ne ovat osoittautuneet tyhjiksi.
Äskettäin ryhmä teoreetikoita on ehdottanut uutta tapaa metsästää tummaa ainetta käyttämällä omituisia "hiukkasia", joita kutsutaan magnoneiksi - nimeä, jota en vain rakentanut. Nämä teoreetikot sanovat, että nämä pienet aallot voivat houkutella jopa ohimenevän, kevyen tumman aineen hiukkaset piiloon.
Pimeän aineen palapeli
Tiedämme kaikenlaisia pimeän aineen asioita, lukuun ottamatta huomattavaa, mikä se on.
Vaikka emme pysty suoraan havaitsemaan sitä, näemme todisteet pimeästä aineesta heti, kun avaamme kaukoputkimme laajempaan maailmankaikkeuteen. Ensimmäinen paluu, takaisin 1930-luvulla, tapahtui havaitsemalla galaksiklustereita, joitakin maailmankaikkeuden suurimmista rakenteista. Ne asuneet galaksit siirtyivät yksinkertaisesti liian nopeasti pitämäänkseen yhdessä klusterina. Tämä johtuu siitä, että galaksien kollektiivinen massa antaa gravitaation liiman, joka pitää klusterin yhdessä - mitä suurempi massa, sitä voimakkaampi tämä liima on. Erittäin vahva liima voi pitää yhdessä jopa nopeimmin liikkuvat galaksit. Mikä tahansa nopeampi ja klusteri yksinkertaisesti repeytyy.
Mutta siellä klusterit olivat olemassa, ja galaksit sumisevat ympärillänsä paljon nopeammin kuin niiden pitäisi antaa klusterin massa. Jollakin oli tarpeeksi painovoimaa tarttua klustereiden pitämiseen, mutta se jotain ei säteilenyt tai ollut vuorovaikutuksessa valon kanssa.
Tämä mysteeri pysyi ratkaisematta vuosikymmenien ajan, ja 1970-luvulla tähtitieteilijä Vera Rubin ylitti ante-tutkimuksen suurella tavalla galaksien tähtihavaintojen avulla. Asiat etenivät jälleen kerran nopeasti: Ottaen huomioon havaitun massan, maailmankaikkeuksemme galaksien olisi pitänyt kehrätä itsensä miljardeja vuosia sitten. Joku piti heitä yhdessä. Jotain näkymätöntä.
Tarina toistuu kaikkialla kosmossa, niin ajassa kuin tilassa. Varhaisimmasta valosta Big Bangista maailmankaikkeuden suurimpiin rakenteisiin, jotain outoa on ulkona.
Etsitään pimeässä
Joten tummaa ainetta on siellä hyvin paljon - emme vain löydä mitään muuta toteuttamiskelpoista hypoteesia selittämään sen olemassaolon tueksi tarkoitetun tiedon tsunamia. Mutta mitä se on? Paras arvauksemme on, että tumma aine on jonkinlainen uusi, eksoottinen hiukkas, fysiikalle tähän mennessä tuntematon. Tässä kuvassa tumma aine tulvii jokaisessa galaksissa. Itse asiassa galaksin näkyvä osa, sellaisena kuin se on nähty tähtijen ja kaasu- ja pölypilvien läpi, on vain pieni majakka, joka on asetettu paljon suurempaa, tummempaa rantaa vasten. Jokainen galaksi sijaitsee suuressa "halo" -alueessa, joka koostuu zillioneista, kun on kyse zillions tumman aineen hiukkasista.
Nämä tumman aineen hiukkaset virtaavat huoneesi läpi juuri nyt. He virtaavat läpi sinun. Loputon sadesuihku on pieniä, näkymättömiä tumman aineen hiukkasia. Mutta et yksinkertaisesti huomaa niitä. Ne eivät ole vuorovaikutuksessa valon tai varautuneiden hiukkasten kanssa. Olet tehty varautuneista hiukkasista ja olet erittäin ystävällinen valon kanssa; olet näkymätön tummalle aineelle ja tumma aine on sinulle näkymätön. Ainoa tapa, jolla "näemme" tumman aineen, on painovoiman kautta; painovoima havaitsee jokaisen aineen ja energian muodot maailmankaikkeudessa, tummat vai ei, joten suurimmissa asteikoissa havaitsemme kaikkien näiden lukemattomien hiukkasten yhdistetyn massan vaikutuksen. Mutta täällä huoneessasi? Ei mitään.
Ellemme toivota, että on jokin muu tapa, jolla tumma aine on vuorovaikutuksessa kanssamme normaalin aineen kanssa. On mahdollista, että tumman aineen hiukkaset, riippumatta siitä, mikä helvetti se on, tuntevat myös heikon ydinvoiman - joka vastaa radioaktiivisesta hajoamisesta - avaavan uuden ikkunan tähän piilotettuun valtakuntaan. Kuvittele rakentavan jättiläisen ilmaisimen, vain suuren massan mistä tahansa kätevästä elementistäsi. Tumman aineen hiukkaset virtaavat sen läpi, melkein kaikki täysin vaarattomasti. Mutta joskus kulloinenkin hiukkasmäärä, joka riippuu tumman aineen erityisestä mallista, vuorovaikutuksessa detektorin elementtien yhden atomin kanssa on heikon ydinvoiman kautta, lyömällä sen paikoilleen ja tekemällä ilmaisimen koko massan nuolikotelo.
Kirjoita magnoni
Tämä kokeellinen järjestely toimii vain, jos tumma-ainehiukkaset ovat suhteellisen raskaita, mikä antaa sille riittävästi oomfia ytimen purkamiseksi yhdessä näistä harvinaisista vuorovaikutuksista. Mutta toistaiseksi mikään pimeän aineen ilmaisimista ympäri maailmaa ei ole nähnyt mitään vuorovaikutuksen jälkeäkään, jopa vuosien etsinnän jälkeen. Kokeiden myötä tumman aineen sallitut ominaisuudet on hitaasti suljettu pois. Tämä ei välttämättä ole huono asia; emme yksinkertaisesti tiedä mistä pimeä aine on tehty, joten mitä enemmän tiedämme, mikä se ei ole, sitä selkeämpi kuva siitä mitä se voisi olla.
Mutta tulosten puute voi olla hieman huolestuttava. Pimeimmän aineen raskaimmat ehdokkaat ovat poissuljettuja, ja jos salaperäinen hiukkanen on liian kevyt, sitä ei koskaan näy ilmaisimissa, koska ne on nyt asennettu. Eli ellei ole muuta tapaa, jolla tumma aine voi puhua normaalin aineen kanssa.
Äskettäisessä artikkelissa, joka julkaistiin arXiv-verkkolehdessä, fyysikot yksityiskohtaisesti ehdottivat kokeellista asennusta, joka voisi havaita pimeän aineen hiukkasten muutettaessa elektronien spiniä (jos tosiasiassa pimeä aine voi tehdä niin). Tässä kokoonpanossa tumma aine voidaan mahdollisesti havaita, vaikka epäillyt hiukkaset ovat erittäin kevyitä. Se voi tehdä tämän luomalla materiaaliin ns. Magnonit.
Teeskennellä, että sinulla on materiaalipala absoluuttisen nollan lämpötilassa. Kaikki kyseisessä asiassa olevien elektronien spinnit - kuten pienet pienet palkkimagneetit - osoittavat samaan suuntaan. Kun nostat lämpötilaa hitaasti, jotkut elektronit alkavat herätä, heilua ympäri ja osoittavat niiden spinnit satunnaisesti vastakkaiseen suuntaan. Mitä korkeammalle nostat lämpötilaa, sitä enemmän elektronia kääntyy läppä - ja jokainen näistä läppä vähentää magneettista lujuutta vain vähän. Jokainen näistä kääntyvistä kierroksista aiheuttaa myös pienen rypistymisen materiaalin energiasisällössä, ja niitä keikkuu voidaan pitää neliosaisena, ei todellisena hiukkasena, mutta jotain, jota voit kuvata matematiikalla tällä tavalla. Nämä puolipartikkelit tunnetaan nimellä "magnons", luultavasti siksi, että ne ovat kuin pieniä, söpöjä pieniä magneetteja.
Joten jos aloitat todella kylmällä materiaalilla ja tarpeeksi tumman aineen hiukkasia iskee materiaalia ja kääntää joitain pyörii ympäri, huomaat magnoneja. Kokeen herkkyyden ja vuorovaikutusten luonteen vuoksi tämä asetus voi havaita kevyen tumman aineen hiukkasen.
Eli jos sitä on olemassa.
Paul M. Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopisto, isäntä Kysy avaruusasemalta ja Avaruusradio, ja kirjoittaja Paikkasi maailmankaikkeudessa.
