Около 80% от цялата материя в Космоса е с форма, непозната на съвременната физика. Наричаме го тъмна материя, защото най-добре можем да кажем, че е ... тъмна. Експерименти по целия свят се опитват да заснемат бездомна частица от тъмна материя с надеждата да я разберат, но засега те се оказаха празни.
Наскоро екип от теоретици предложи нов начин за лов на тъмна материя, използвайки странни "частици", наречени магнони, име, което не просто измислих. Тези мънички пулсации биха могли да примамят дори мимолетна и лека частица от тъмна материя да се скрие от скриване, твърдят тези теоретици.
Пъзелът с тъмната материя
Ние знаем всякакви неща за тъмната материя, с забележителното изключение от това, което е.
Въпреки че не можем да го открием директно, ние виждаме доказателствата на тъмната материя веднага щом отворим телескопите си към по-широката вселена. Първото откровение, още през 30-те години на миналия век, се наблюдава чрез наблюдения на галактически клъстери, някои от най-големите структури във Вселената. Галактиките, които ги обитавали, просто се движели твърде бързо, за да бъдат държани заедно като клъстер. Това е така, защото колективната маса на галактиките дава гравитационното лепило, което държи струпването заедно - колкото по-голяма е масата, толкова по-силно е това лепило. Супер силно лепило може да държи заедно дори най-бързо движещите се галактики. По-бързо и клъстерът просто ще се разкъса.
Но там струпванията бяха, съществуващи, с галактики бръмчеше в тях далеч по-бързо, отколкото трябваше да се даде масата на клъстера. Нещо има достатъчно гравитационен захват, за да държи струпванията заедно, но това нещо не излъчва или взаимодейства със светлина.
Тази мистерия се запазва неразрешена през десетилетията и през 70-те години астрономът Вера Рубин повишава антеята по голям начин чрез наблюдения на звезди в галактики. За пореден път нещата се движеха твърде бързо: Като се има предвид наблюдаваната им маса, галактиките в нашата Вселена трябваше да са се разделили преди милиарди години. Нещо ги държеше заедно. Нещо невиждано.
Историята се повтаря в целия космос, както във времето, така и в пространството. От най-ранната светлина от Големия взрив до най-големите структури във Вселената, нещо фънки е там.
Търсене в тъмното
Така че тъмната материя има много - просто не можем да намерим друга жизнеспособна хипотеза, която да обясни цунамито на данни в подкрепа на нейното съществуване. Но какво е това? Най-доброто ни предположение е, че тъмната материя е някаква нова, екзотична частица, непозната досега на физиката. На тази снимка тъмната материя залива всяка галактика. Всъщност видимата част на галактика, гледана през звезди и облаци от газ и прах, е само един малък фар, поставен срещу много по-голям, по-тъмен бряг. Всяка галактика се намира в голям "ореол", съставен от зилиони върху милиони частици от тъмна материя.
Тези частици от тъмна материя преминават в стаята ви в момента. Те преминават през вас. Непрекъснат дъждовен душ с малки, невидими частици от тъмна материя. Но просто не ги забелязвате. Те не взаимодействат със светлина или със заредени частици. Вие сте направени от заредени частици и сте много приятелски настроени към светлината; ти си невидима за тъмната материя и тъмната материя е невидима за теб. Единственият начин, по който „виждаме“ тъмната материя, е чрез гравитационната сила; гравитацията забелязва всяка форма на материя и енергия във Вселената, тъмна или не, така че при най-големите мащаби наблюдаваме влиянието на комбинираната маса на всички тези безброй частици. Но тук в стаята си? Нищо.
Освен ако не се надяваме, има някакъв друг начин, по който тъмната материя взаимодейства с нас нормалната материя. Възможно е частицата от тъмната материя, каквато и да е по дяволите, да усеща и слабата ядрена сила - която е отговорна за радиоактивното разпадане - да отвори нов прозорец в тази скрита сфера. Представете си, че изграждате гигантски детектор, просто голяма маса от какъвто и да е елемент, който имате под ръка. Частици от тъмна материя преминават през нея, почти всички те са напълно безобидни. Но понякога, с рядкост в зависимост от конкретния модел на тъмната материя, преминаващата частица взаимодейства с едно от атомните ядра на елементите в детектора чрез слабата ядрена сила, избивайки я на мястото си и прави цялата маса на детектора колчан.
Влезте в магнона
Тази експериментална настройка работи само ако частицата от тъмна материя е сравнително тежка, което й дава достатъчно oomph да избие ядро в едно от тези редки взаимодействия. Но досега никой от детекторите за тъмна материя по целия свят не е виждал следа от взаимодействие, дори след години и години на търсене. Тъй като експериментите са обосновани, допустимите свойства на тъмната материя бавно са изключени. Това не е задължително нещо лошо; ние просто не знаем от какво е изградена тъмната материя, така че колкото повече знаем за какво не е, толкова по-ясна е картината на това, което може да бъде.
Но липсата на резултати може да бъде малко притеснителна. Изключват се най-тежките кандидати за тъмна материя и ако мистериозната частица е твърде лека, тя никога няма да бъде видяна в детекторите, както са създадени в момента. Тоест, освен ако няма друг начин тъмната материя да може да говори с обикновената материя.
В неотдавнашна статия, публикувана в онлайн списанието за препринтиране arXiv, физиците подробно описват предложената експериментална настройка, която би могла да забележи частица от тъмна материя в акта на промяна на спина на електроните (ако всъщност тъмната материя може да направи това). При тази настройка може да се открие тъмна материя, дори ако съмнителната частица е много лека. Може да направи това, като създаде така наречените магнони в материала.
Преструвайте се, че имате парче материал при температура абсолютна нула. Всички завъртания - като малки мънички пръчки - от всички електрони в тази материя ще сочат в една и съща посока. Докато бавно повишавате температурата, някои от електроните ще започнат да се събуждат, ще се размахват и произволно насочват завъртанията си в обратна посока. Колкото по-високо повишите температурата, толкова повече електрони се навиват обърнати - и всеки от тези флипове намалява магнитната сила само с малко. Всеки от тези обърнати завъртания също предизвиква малко пулсация в енергията на материала и тези клатушки могат да се разглеждат като квазичастица, а не истинска частица, но нещо, което можете да опишете с математиката по този начин. Тези квазичастици са известни като "магнони", вероятно защото са като малки, сладки малки магнити.
Така че, ако започнете с наистина студен материал и достатъчно частици от тъмна материя ударят материала и обърнете някои завъртания наоколо, ще наблюдавате магнони. Поради чувствителността на експеримента и естеството на взаимодействията, тази настройка може да открие лека частица от тъмна материя.
Тоест, ако съществува.
Пол М. Сътър е астрофизик в Държавният университет в Охайо, домакин на Попитайте Космонавт и Космическо радиои автор на Вашето място във Вселената.
