Физиците на лов за невидимата ръка, която оформя нашата вселена и галактиките в нея, са обърнали погледа си към тъмната страна. По-конкретно един екип гледа зад всяка космическа скала за така наречените тъмни фотони, които биха могли да предават неизвестна досега сила на природата.
Тези фотони биха опосредствали взаимодействието между цялата нормална материя и невидимите неща, наречени тъмна материя.
Но учените отдавна са разбрали, че природата е опъната и дръпната, разчупена и разкъсана от четири известни сили, така че как друга сила може да се скрие от нас толкова дълго? Тези четири известни сили представляват крайъгълен камък на нашето ежедневие: тираничната, но краткотрайна силна ядрена сила, която свързва атомните ядра заедно; неясната и безшумна слаба ядрена сила, която контролира радиоактивно разпад и разговаря със субатомните частици, наречени неутрино; смелата и ярка електромагнитна сила, която доминира в нашия живот; и фината гравитационна сила, далеч най-слабата от квартета.
Използвайки тези четири основни сили, физиците са в състояние да нарисуват портрет на нашите субатомни и макроскопични светове. Няма взаимодействие, което да не включва един от тези четири знака. И все пак мистерии все още изобилстват по отношение на взаимодействията във нашата вселена, особено в най-големите мащаби. Когато намалим мащаба до мащаба на галактиките и отвъд тях, възниква нещо рибено и ние даваме на тази риболовност името на тъмната материя.
Дали тъмната материя е проста и неподправена, или крие множество от непознати досега сили в лапките си? Сега международен екип от физици, описвайки своята работа онлайн в списанието за предпечатните издания arXiv, са използвали сметище за данни от Големия адронен колайдер - най-големият уред за разбиване на атоми в света - за да търсят такава сила. Засега търсенето им се оказа празно - което е добре (нещо като вид): Това означава, че познатите ни закони на физиката все още са в сила. Но все още не можем да обясним тъмната материя.
Изгубен в тъмното
Тъмната материя е хипотетична форма на материята, за която се твърди, че представлява около 80% от общата маса на Вселената. Това е някаква голяма работа. Всъщност не знаем какво е отговорно за всички тези извънредни невидими неща, но знаем, че съществуват, а най-голямата ни улика е гравитацията. Изследвайки движенията на звезди в галактики и галактики в купове, заедно с еволюцията на най-големите структури в Космоса, астрономите почти универсално стигнаха до извода, че има повече от това, което се среща с галактическото око.
По-доброто име на тъмната материя може да е невидима материя. Въпреки че можем да го заключим от гравитационното му влияние (тъй като нищо не избяга от всевиждащото око на Алберт Айнщайн), тъмната материя просто не взаимодейства със светлината. Ние знаем това, защото ако тъмната материя взаимодействаше със светлината (или поне, ако тя взаимодействаше със светлината по начина, по който е позната материята), досега щяхме да видим мистериозната субстанция. Но доколкото можем да кажем, тъмната материя - каквато и да е по дяволите - не поглъща светлина, отразява светлина, пречупва светлина, не разсейва светлина и не излъчва светлина. За тъмната материя светлината е просто persona non grata; може дори да не съществува.
И така има голям шанс легиони от тъмни частици да се движат през тялото ви в момента. Комбинираната маса на този безкраен поток може да оформи съдбите на галактиките чрез гравитационно влияние, но тя преминава през нормална материя, без дори здравей. Грубо, знам, но това е тъмна материя за теб.
Носенето на светлината
Тъй като не знаем от какво е изградена тъмната материя, ние сме свободни да съставим всякакви сценарии, както обикновени, така и фантастични. Най-простата картина на тъмната материя казва, че тя е голяма и основна. Да, тя съставлява огромното мнозинство от масата на Вселената, но тя се състои само от една, много плодородна частица, която не прави нищо друго, освен да има маса. Това означава, че материалът може да се представи чрез гравитацията, но в противен случай никога не взаимодейства чрез никоя от другите сили. Никога няма да забележим тъмна материя, правейки нещо друго.
Фантастичните сценарии са по-забавни.
Когато теоретиците се отегчават, те подготвят идеи за това какво може да бъде тъмната материя и по-важното - как можем да я открием. Следващото ниво нагоре по скалата на интересните теории за тъмната материя казва, че веществото може понякога да говори с нормална материя чрез слабата ядрена сила. Тази идея мотивира експериментите и детекторите с тъмна материя по целия свят днес.
Но въпреки това този сценарий предполага, че все още има само четири сили на природата. Ако тъмната материя е невиждан досега вид частици, тогава е напълно разумно да подскажем (защото нямаме представа дали сме прави или не), че тя е опакована с неизвестна досега сила на природата - или може би двойка, която знае ? Тази потенциална сила може да позволи на тъмната материя да говори само с тъмна материя, или може да преплете тъмната материя и тъмната енергия (която ние също не разбираме), или може да отвори нов комуникационен канал между нормалния и тъмния сектор на нашата вселена ,
Възход на тъмния фотон
Един предложен комуникационен портал между светлата и тъмната сфера е нещо, наречено тъмен фотон, аналогичен на познатия (светъл) фотон на електромагнитната сила. Ние не можем да видим или вкусим или помиришем тъмните фотони директно, но те могат да се смесват с нашия свят. При този сценарий тъмната материя излъчва тъмни фотони, които са сравнително масивни частици. Това означава, че те имат ефект само в малък обсег, съвсем за разлика от техните светлинни колеги. Но понякога тъмен фотон може да взаимодейства с обикновен фотон, променяйки неговата енергия и траектория.
Това би било много рядко събитие; иначе отдавна бихме забелязали нещо фънки с електромагнетизма.
Така че, дори и при тъмни фотони, ние не бихме могли да видим тъмната материя директно, но бихме могли да издушим съществуването на тъмните фотони, като изследваме гълъбите за електромагнитни взаимодействия. В малка част от тези гьоби тъмен фотон може да „открадне“ енергия от обикновен фотон, взаимодействайки с него.
Но както казах, имаме нужда от взаимодействия. Просто така се случва да сме изградили гигантски Машини на науката, за да произвеждат точно това, така че имаме късмета.
В статията на arXiv, физиците съобщават резултатите си, след като са изследвали данни за три години от Super Proton Synchrotron, вторият най-голям ускорител на частици в CERN. За този експеримент учените разбиха протоните срещу субатомния еквивалент на тухлена стена и разгледаха всички парчета в последствие.
В останките изследователите открили електрони - много от тях. В продължение на три години учените преброиха над 20 милиарда електрона с енергия над 100 GeV. Тъй като електроните са заредени частици и обичат да взаимодействат помежду си, високоенергийните електрони в този експеримент също породиха много фотони. Ако съществуват тъмни фотони, тогава те понякога трябва да си взаимодействат и да откраднат енергия от един от обикновените фотони, явление, което би се показало в експеримента като липса на светлина.
Това търсене на тъмни фотони се появи празно - всички нормални фотони присъстваха и бяха отчетени - но това не изключва изцяло съществуването на тъмни фотони. Вместо това поставя ограничения върху допустимите свойства на тези частици. Ако те съществуват, те биха били с ниска енергия (по-малко от GeV, базирани на резултатите от експеримента) и биха били рядко взаимодействащи с редовни фотони.
Търсенето на тъмни фотони продължава, но с бъдещите опити на експеримента, поставен за у дома още повече върху това предложено създание на субатомния свят.
Прочетете още: "Търсене на тъмна материя при липсващи енергийни събития с NA64"
Пол М. Сътър е астрофизик в Държавният университет в Охайо, домакин на „Попитайте Космонавт" и "Космическо радио, "и автор на"Вашето място във Вселената."
