Sunkus ir patrauklus tamsiosios medžiagos tyrimo pasaulis

NYSTV Christmas Special - Multi Language (Liepa 2019).

Anonim

Dauguma žmonių, kuriems mokamas atlyginimas, gali būti visiškai tikri, kad jų darbas iš tikrųjų egzistuoja. Fizikai, tyrinėjantys tamsią materiją, šiuo požiūriu skiriasi nuo daugumos žmonių. Nepaisant to, talentingi jaunieji mokslininkai ir toliau skiria savo karjerą šiai temai. Kodėl?

Tai nėra ta tamsioji medžiaga laukia, kol bus atrasta. Toli nuo jo tamsioji materija kaip reiškinys yra tvirtai įsitvirtinusi, ir mes turime daug įtikinamų įrodymų, kad tai yra penkis kartus gausiau nei jo ryškus partneris.

Greičiau problema ta, kad didžiulė tamsiosios materijos įrodymų visuma priklauso nuo gravitacinio poveikio. Jei pasirodys, kad gravitacija veikia daug svetimiau, nei Newton numatė, poveikis, kurį mes priskiriame tamsiosios medžiagos dalelę, gali būti miražas. Ir mes galime būti priversti atmesti visą tamsiosios medžiagos hipotezę į šlovės salę dėl pasenusių mokslinių teorijų.

Norint galutinai patvirtinti mūsų paradigmą, tamsiosios medžiagos, kaip ir aš, bhaktai turi sugauti arba sukurti tamsiosios medžiagos dalelę, kad galėtume kartą ir visiems laikams įrodyti, kad tamsi materija iš tiesų yra pagaminta iš medžiagos.

Viskas vyksta tamsoje

Taigi, ką reiškia tamsi materija? Na, tai priklauso nuo jūsų pageidavimų.

Hipotezuojamų tamsiųjų medžiagų kandidačių įvairovė iš tikrųjų yra nemalonus. Sunkūs konkurentai yra dalelės, kurių spinduliai yra tokie pat dideli kaip galaktikos, taip pat itin mažos dalelės, kurių spindulys yra vienas keturių (15 nulių) kartų mažesnis nei protonas.

Jame net nereikia sudaryti dalelių, tamsioji materija gali būti mažos spinduliuotės erdvės ir laiko audiniuose, vadinamos primityviosiomis juodosiomis skylėmis.

Todėl bet koks eksperimentas, kurio metu siekiama nustatyti tamsią materiją, pirmiausia turi pasirinkti hipotezę ir tęsti, kad įrodytų ar paneigtų tai.

Tačiau kandidatų kontrolinis sąrašas yra labai ilgas, ir daugybės idėjų negalima išbandyti pagal dabartines technologijas.

Paprastai įtariamasis yra WIMP

Dalelių fizika turi ilgą ir didžiulę tradiciją, suteikianti kvailus vardus hipotetinėms dalelėms. Ypač kvailas pavyzdys yra dalelė, vadinama WIMP, kuri, nepaisant jos pavadinimo, yra viena iš stipriausių tamsiųjų medžiagų kandidatų.

Siaubingas skambėjimo vardas iš tikrųjų yra dalelių savybių akronimas: silpnai sąveikaujanti masinė dalelė. Tai reiškia, kad dalelė yra masyvi, ji gravituoja į kitas daleles ar objektus, bet ji silpnai sąveikauja su mūsų matomu pasauliu.

Per pirmąsias tris sekundes po Didžiojo sprogimo mūsų Visata buvo kartais neįtikėtinai karšta ir tanki. Tai pirminė sriuba, kurioje buvo tariamas WIMP gimimas. Ginkluotos žinios apie tai, kaip mūsų visata plėtėsi ir atvėsusi, mes galime tiksliai apskaičiuoti WIMP skaičių, kuris susidarė šiomis sąlygomis.

Nuostabu, kad šis skaičiavimas palieka mus daugybe WIMP, kurie labai atitinka tamsiosios medžiagos kiekį. Kitaip tariant, mes įtvirtiname dalelę su savybėmis, kurias mes tikimės rasti tamsioje materijoje, ir be papildomų prielaidų, mūsų žinios apie Visatos istoriją reiškia, kad ji pasirodo tinkamoje sumoje. Na, tai atrodo per gerai, kad nebūtų tiesa.

Stebuklų neįvyks, tiesa?

Tai neįtikėtinas skaičių sutapimas yra tai, ką WIMP rėmėjai uoliai vadina "WIMP stebuklu". "Miracle" yra galbūt per stiprus žodis, bet WIMP paradigma pateikia labai paprastą paaiškinimą, kuris gali apimti visą tamsią materiją vienu metu ir tokiu būdu perduoda "Occam" skustuvo testą: labiausiai tikėtina, kad teorijos su mažiausiais prielaidomis bus teisingai

Bet kas dar geriau nei jo paprastumas yra tai, kad tai testable. Labai sąveika, atsakinga už WIMP kūrimą, visų pirma, leidžia mums kurti eksperimentus jų paieškai - taip vadinamiems tiesioginiams detektoriams.

Deja, detektoriai, sukurti norėdami rasti WIMP, nieko nerado. Ir iki šiol, atrodo, kad "WIMP stebuklas" mus paskatino dešimtmetį ilgu laukinių žąsies persekiojimu.

Fizikai vis dar tikisi atrasti WIMP, bet jei jis galų gale atsidurs, tai tikrai atrodytų kitaip, nei mes įsivaizdavome.

Kita vertus, jei WIMP niekada neįvyks, tiesioginiai aptikimo eksperimentai išbrauktų keletą pretendentų iš kontrolinio sąrašo, nors ir už didžiulę sąskaita. Tačiau, kaip papildoma premija, "WIMP" paieška turi didžiulę įtampą. Kai kurie iš šių pasiekimų jau yra išreikšti kitose fizikos šakose, pvz., Neutrino fizikos. Taigi, net jei jo pagrindinė misija buvo neigiamas, pastangos surasti WIMP nebuvo veltui.

"Occam" skustuvas ne visada jį supjausto

Matomą mūsų Visatos dalį sudaro labai ribotas ingredientų sąrašas: kvarkai, leptonai (tokie kaip elektronai ir neutrinai) ir keturios jėgos, leidžiančios dalelėms sąveikauti. Iš šių kuklų konstrukcinių dalių ateina visa įvairovė - nuo žvaigždžių danguje iki gyvybės Žemėje - viskas gali būti susiaurinta iki sudėtingų šių paprastų sudedamųjų dalių konfigūracijų.

Nėra jokios pagrindinės priežastys, kodėl tamsi mūsų pasaulio dalis turėtų būti mažiau įvairi, nei matoma dalis. Galima netgi įsivaizduoti, kad tamsioji materija sugeria į tamsias žvaigždes, planetas ir gyvenimą, kurios yra visiškai atskirtos nuo mūsų pasaulio. Jiems mes esame tamsi materija.

Tačiau eksperimentų, skirtų tamsioms medžiagoms ieškoti, projektavimas yra praktinis dalykas, ir tuo pačiu metu sunku ieškoti daugiau nei vieno dalyko. Todėl mes linkę laikytis "Occam" skustuvo ir stengtis surasti paprasčiausiai galimus atsakymus į tamsiosios medžiagos klausimą.

Deja, "Occam" skustuvas nėra matematinė teorema, ir gamta nerūpi, kaip "greičiausiai" įvairios teorijos yra pagal fizikas. Tiesą sakant, mūsų supaprastinti tamsiosios medžiagos modeliai gali atsisakyti daug sudėtingesnės ir nepatogiausios realybės.

Šiuo atveju niekada nematysime didžiojo tamsiosios medžiagos atskleidimo, bet palaipsniui suprasime mažus galvosūkius.

Mes vis dar manome, kad tamsi materija pagaminta iš susikaupusių dalelių, tačiau vienintelis dalykas, kurį mes tikrai žinome, yra tai, kad daugelį metų tai bus fizikų dalykas.

Nėra jokios garantijos, kad atrasime tamsiosios medžiagos dalelę. Bet mes galime. Ir tai galėtų pakeisti mūsų supratimą apie viską.

menu
menu