Qaranlıq maddə aşağı enerjili sərhədlərdə gizlənə bilər - sübutlar var

Mündəricat:

Qaranlıq maddə aşağı enerjili sərhədlərdə gizlənə bilər - sübutlar var
Qaranlıq maddə aşağı enerjili sərhədlərdə gizlənə bilər - sübutlar var
Anonim

Yeni nəsil qaranlıq maddə detektorlarındakı sirli təsirlər inqilabi bir kəşfdən xəbər verə bilər. Son bir il ərzində bu detektorlar ilə işləyən elm adamları birdən-birə aşağı enerjili təsirlərin miqdarında artım və ya artıqlıq hiss etdilər.

Onilliklər sürən əziyyətli axtarışlardan sonra da elm adamları qaranlıq maddənin bir hissəsini belə tapa bilmədilər. Elm adamları, maddənin bu formasının varlığına dair demək olar ki, "dəmir" sübutlar verirlər, lakin əslində nədən ibarət olduğunu müəyyən etmək bu günə qədər mümkün olmayıb. Bir neçə onilliklər ərzində fiziklər qaranlıq maddənin ağır olduğu və laboratoriya şəraitində asanlıqla təsbit edilə bilən zəif qarşılıqlı təsir göstərən kütləvi hissəciklərdən - WIMP -dən ibarət olduğu hipotezinə sadiq qaldılar.

Ancaq uzun illər davam edən əziyyətli araşdırmalara baxmayaraq, elm adamları hələ də WIMP -ləri tapa bilməyiblər. Və fiziklər daha böyük həvəslə axtarışa başladılar. Tədqiqatçılar getdikcə daha dəqiq təcrübələr apardıqca və daha çox məlumat topladıqda, detektorların kütləsi bir protondan daha yüngül olan qaranlıq maddə hissəciklərini necə tuta biləcəyini işıqlandıran hipotezlərin yenidən qiymətləndirilməsi var. Və bu ilin əvvəlində arXiv preprint serverində. org, fizikada dəyişiklik simvolu halına gələn iki məqalə nəşr olundu. Bu məqalələrdə müəlliflər ilk dəfə səylərini qaranlıq maddənin əmələ gətirdiyi plazmonların (maddədəki elektronların kollektiv hərəkətləri) axtarışına yönəltməyi təklif edirlər.

Sənədlərin birincisi, Milli Sürətləndirici Laboratoriyasında qaranlıq maddənin öyrənilməsi ilə məşğul olan bir qrup alim tərəfindən yazılmışdır. Batavia, İllinoys ştatındakı Enrico Fermi (Fermilab), həmçinin İllinoys Universitetinin Urbana-Champaign və Çikaqo Universitetindən mütəxəssislər. Elm adamları, aşağı kütləli qaranlıq maddənin plazmonlar əmələ gətirməyə qadir olduğunu və bu hissəciklərin bəzi detektorlar vasitəsilə tutula biləcəyini fərz etdilər. UC San Diego fizikləri Tongyan Lin və Jonathan Kozaczuk, bu təməlqoyma sənədindən ilham alaraq, detektorların az kütləli qaranlıq maddəni aşkar etmə ehtimalını hesabladılar.

"Plazmon, plazmon, plazmon!" Deyə qışqırırıq, çünki bu maraqlı fenomen, bizim fikrimizcə, qaranlıq maddə ilə təcrübələri izah etməyə kömək edəcək "dedi məqalələrin birinci müəllifi və qaranlıq maddələr üzrə mütəxəssis Gordan Krnjaic. Fermilab və Çikaqo Universitetinin Kavli Kosmoloji Fizika İnstitutu, hissəcik fizikləri, astrofiziklərlə birlikdə on ildir ki, kütləsi az olan qaranlıq maddəni aşkar etmək problemi üzərində düşünürlər, əksinə kimya və material alimləri)., qaranlıq maddə.

Krnjajc komandasının əldə etdiyi nəticələri şərh edən Yerusəlim İvrit Universitetinin nəzəri fiziklərindən Yonit Hochberg, "Məncə, bu, çox möhtəşəmdir" deyir. "Bilinməyən bir şəkildə hərəkət edə biləcək [plazmonların] olması, mənim fikrimcə, həqiqətən daha çox araşdırma tələb edən son dərəcə əhəmiyyətli bir nəticədir."

Bəzi elm adamları ilk nəşr olunan məqalənin nəticələrinə böyük şübhə ilə yanaşırlar. Kaliforniya Texnologiya İnstitutunun qaranlıq maddə tədqiqatçısı Kathryn Zurek'in dediyi kimi, məsələn, məqalə "məni inandırmır" və əlavə etdi: "Bunun necə işlədiyini anlamıram". (Əlavə edirik ki, Zurek də bu məqalələrin yazılmasında iştirak etməyib).

Öz növbəsində, Fermilabda və Kosmoloji Fizika İnstitutunda qaranlıq maddə tədqiqatları sahəsində təcrübə fəaliyyəti ilə məşğul olan Noah Kurinsky adlı ilk məqalənin həmmüəlliflərindən biri. Kavli, mütəxəssislərin tənqid faktının heç də qeyri -adi olmadığını düşünür. "Onların qarşısında bir vəzifə qoyduq: səhv etdiyimizi sübut etmək. Və inanıram ki, bu fizika sahəsində aparılan araşdırmalara böyük fayda verəcək. Etməli olduqları şey budur "dedi Kurinski.

Səyləri birləşdirin

Demək olar ki, heç bir iz qoymayan görünməz maddənin ovu, ümumiyyətlə, belə bir şeydir: qaranlıq maddənin hissəciklərini aşkar etmək üçün fiziklər bir parça material götürürlər, yerin dərin bir yerinə qoyurlar, avadanlıqlara bağlayırlar və sonra bir siqnal düzəltmək ümidi. Xüsusilə, elm adamları, qaranlıq bir maddənin hissəciyinin birbaşa detektora düşəcəyini və bunun nəticəsində elektronlar, fotonlar və ya hətta cihaz tərəfindən aşkar edilə bilən istiliklə nəticələnəcəyini ümid edirlər.

Qaranlıq maddənin aşkarlanmasına nəzəri yanaşmalar 1985 -ci ilə aid bir məqalədə təsvir edilmişdir; qaranlıq maddə hissəciklərini axtarmaq üçün bir neytrino detektorunun yenidən necə təyin oluna biləcəyini izah etdi. Həmin məqalədə göstərildiyi kimi, daxil olan qaranlıq bir maddə hissəciyi, detektorun hazırlandığı maddənin atom nüvəsinə vura bilər və ona bir impuls verə bilər, eynilə bir bilyard topu digərinə vuruşaraq sonuncusuna impuls verir. Bu toqquşma nəticəsində, nüvəyə kifayət qədər sərt şəkildə vuran qaranlıq maddə, bir elektron və ya bir fotonun uçacağı bir momentum verərdi.

Yüksək enerjilərdə hər şey əla çıxır. Detektordakı atomlar ayrı -ayrı və bir -biri ilə əlaqəsi olmayan sərbəst hissəciklər kimi qəbul edilə bilər. Ancaq aşağı enerjilərdə şəkil dəyişir.

Qaranlıq maddəni öyrənən Urbana-Champaign İllinoys Universitetindən ilk məqalənin həmmüəllifi Yonatan Kahn qeyd edir ki, "lakin detektorlar sərbəst hissəciklərdən ibarət deyil". "Çox xüsusi bir materialdan hazırlanmışdır. Bu səbəbdən detektorunuzun əslində necə işlədiyini anlamaq istəyirsinizsə bu material haqqında bütün məlumatlara sahib olmalısınız."

Detektorun içərisində kiçik kütlədən ibarət olan qaranlıq bir maddə hissəciyi hələ də təcil ötürəcək, ancaq zərbə nəticəsində qalan hissəciklər bilyarddakı toplar kimi dağılmayacaq, əksinə titrəməyə başlayacaq. Başqa sözlə, burada stolüstü tennis topunun bənzətməsi daha uyğundur.

"Kiçik kütlənin qaranlıq maddəsinə keçdikcə, burada digər - daha incə təsirlər görünməyə başlayır" deyə Lin izah edir. Bu incə təsirlər, fiziklərin "kollektiv həyəcan" adlandırmaq istədiklərini ifadə edir. Buradakı məna budur: bir neçə hissəcik eyni anda hərəkət edərsə, onları bir çox titrəyən atomdan ibarət bir səs dalğası kimi təsvir etmək daha əlverişlidir.

Elektronlar bu şəkildə davranmağa başladılarsa, bu halda plazmonlar yaranır. Bir qrup atom nüvəsi titrəməyə başlayırsa, onların kollektiv həyəcanına fonon deyilir. Bu fenomen qaranlıq maddəni öyrənən astrofiziklər və yüksək enerjili fiziklər tərəfindən tez-tez rast gəlinir; buna baxmayaraq, bunu əlaqəsiz hesab edirlər.

Fizika üzrə mərhum Nobel mükafatı laureatı Philip Andersonun bir dəfə qeyd etdiyi kimi, "daha çox fərqli deməkdir", yəni sistem böyüdükcə tamamilə fərqli davranış qanunlarına sahib ola biləcəyini qəbul etməkdən danışırıq [Philip Anderson məqaləsi, 1972. "Daha çox fərqlidir", yəni Daha çox fərqlidir, - təxminən. tərcümə.]. Məsələn, bir damla su tək bir su molekulundan (H2O) çox fərqli davranır. Yonathan Kahn deyir: "Mən bu konsepsiyaya tamamilə qapılmışam.

Hər iki sənəddə istifadə olunan plazmon istehsalına yanaşmalar bir -birindən bir qədər fərqlidir. Ancaq müəlliflər eyni nəticəyə gəlirlər: həqiqətən də plazmonun istehsalını göstərən siqnalları axtarmalıyıq. Xüsusilə, Lin və Kozachukun hesablamalarına görə, aşağı kütləli qaranlıq maddədən bir plazmon əmələ gəlmə sürəti, bir elektronun və ya fotonun görünmə sürətinin təxminən on mində biri olardı. Bu dəyər çətin görünə bilər, amma fiziklər üçün bu olduqca doğrudur.

Qaranlıqda enerji artımı

Son vaxtlara qədər qaranlıq maddəni aşkar etmək üçün ən həssas detektorlar maye ksenon nəhəng su anbarlarından istifadə edirdilər. Ancaq son bir neçə ildə onların yerini yeni nəsil kiçik bərk hal detektorları aldı. EDELWEISS III, SENSEI və CRESST-III qısaltmaları ilə tanınırlar və germanyum, silikon və şelit kimi materiallardan tikilmişdir. Bu cür detektorlar yalnız bir elektronla nəticələnə bilən qaranlıq maddələrlə toqquşmalara həssasdır.

Ancaq bütün detektorlar, qorunma dərəcəsindən asılı olmayaraq, mənbələri, məsələn, arxa radiasiya ola bilən xarici səs -küyə həssasdırlar. Və beləliklə, son bir il ərzində bir neçə qaranlıq maddənin detektoru ilə işləyən elm adamları birdən-birə aşağı enerjili təsirlərin sayında artım və ya artıqlıq qeyd etməyə başladılar, ancaq bu həqiqəti səssizcə keçdilər.

Kurinski və həmkarlarının yazdığı məqalə, qaranlıq maddələrlə bağlı müxtəlif təcrübələrdə müşahidə edilən bu qədər aşağı enerjili "həddindən artıqlıqlar" arasında diqqətəlayiq bənzərliyi ilk dəfə qeyd etdi. Göründüyü kimi, bu həddindən artıq hissələrin hər biri detektor kütləsinin hər kiloqramına 10 hertz ətrafında cəmlənmişdir. Detektorlar fərqli materiallardan hazırlandığından, tamamilə fərqli yerlərdə yerləşdiyindən və bir -birindən fərqli şəraitdə işlədildiyindən qaranlıq maddənin incə təsiri istisna olmaqla, bu qəribə tutarlılığın başqa heç bir universal səbəbi yoxdur. Ardınca gedən elmi mübahisə, Lin kimi digər fiziklərin də diqqətini çəkdi və tezliklə plazmonla əlaqəli riyaziyyat üzərində işə başladı. Amma Lin belə şübhə edir: əgər indiki vaxtda aparılan təcrübələrin nəticələri plazmonların qaranlıq maddənin deyil, başqa bir şeyin əmələ gətirdiyini göstərirsə nə etməli? "Qaranlıq maddənin səbəb olmadığını söyləmirəm. Sadəcə deyirəm ki, qaranlıq maddə mənə indiyə qədər inandırıcı olmayan bir faktor kimi görünür "dedi Lin.

Bu fərziyyə, ən son qaranlıq maddə detektorlarından yeni məlumatlar gəldiyi üçün dəfələrlə sınaqdan keçiriləcək və yenidən yoxlanılacaq. Lakin detektorların hazırda sirli maddəni aşkar edib -etməməsinin heç bir əhəmiyyəti yoxdur. İndi bu fizika sahəsində çalışan elm adamları, az kütləli qaranlıq maddənin plazmonlarını və digər davranışlarını öyrənirlər. Araşdırma davam edir.

"Çox səhv etdiyimizi istisna etmirəm, amma hamısı özlərinə maraq oyadır" deyir Krzaych.

Tövsiyə: