Физики на охоте за невидимой рукой, которая формирует нашу вселенную и галактики в ней, обратили свой взгляд на темную сторону. В частности, одна команда ищет за каждым космическим камнем так называемые темные фотоны, которые могли бы передавать ранее неизвестную силу природы.
Эти фотоны опосредуют взаимодействие между всей нормальной материей и невидимым веществом, называемым темной материей.
Но ученые давно поняли, что природа растягивается, тянется, задевается и рвется четырьмя известными силами, так как же другая сила могла так долго скрываться от нас? Эти четыре известные силы составляют краеугольный камень нашего повседневного существования: тираническая, но короткая сильная ядерная сила, которая связывает атомные ядра вместе; неясная и тихая слабая ядерная сила, которая контролирует радиоактивный распад и говорит с субатомными частицами, называемыми нейтрино; смелая и яркая электромагнитная сила, которая доминирует в нашей жизни; и тонкая гравитационная сила, безусловно, самая слабая из квартета.
Используя эти четыре фундаментальные силы, физики могут нарисовать портрет наших субатомных и макроскопических миров. Нет взаимодействия, в котором не участвует ни один из этих четырех персонажей. И все же, загадки все еще изобилуют относительно взаимодействий в нашей вселенной, особенно в самых больших масштабах. Когда мы уменьшаем масштаб до уровня галактик и дальше, происходит что-то подозрительное, и мы придаем этой рыбности имя темной материи.
Является ли темная материя простой и неукрашенной, или она прячет множество неизвестных ранее сил в своих когтях? Теперь международная команда физиков, описывающая их работу в Интернете в препринтном журнале arXiv, использовала дамп данных с Большого адронного коллайдера - крупнейшего в мире атомного разрушителя - для поиска такой силы. На данный момент их поиск оказался пустым - что хорошо (вроде): это означает, что наши известные законы физики все еще выполняются. Но мы все еще не можем объяснить темную материю.
Затерянный в темноте
Темная материя является гипотетической формой материи, которая, как говорят, составляет около 80% от общей массы Вселенной. Это своего рода большое дело. Мы действительно не знаем, что отвечает за все эти дополнительные невидимые вещи, но мы знаем, что это существует, и наша самая большая подсказка - гравитация. Изучая движения звезд внутри галактик и галактик внутри скоплений, а также эволюцию крупнейших структур в космосе, астрономы почти повсеместно пришли к выводу, что есть нечто большее, чем кажется галактическому глазу.
Лучшим названием для темной материи может быть невидимая материя. Хотя мы можем вывести его из гравитационного воздействия (поскольку ничто не ускользает от всевидящего глаза Альберта Эйнштейна), темная материя просто не взаимодействует со светом. Мы знаем это потому, что если бы темная материя действительно взаимодействовала со светом (или, по крайней мере, если бы она взаимодействовала со светом так, как это делает знакомая материя), мы бы уже видели таинственную субстанцию. Но, насколько мы можем судить, темная материя, какой бы она ни была, не поглощает свет, не отражает свет, не преломляет, не рассеивает свет и не излучает свет. Для темной материи свет - это просто персона нон грата; с тем же успехом он может даже не существовать.
И поэтому есть большая вероятность, что легионы частиц темной материи текут через ваше тело прямо сейчас. Объединенная масса этого бесконечного потока может формировать судьбы галактик посредством гравитационного воздействия, но она проходит через нормальное вещество даже без приветствия. Грубый, я знаю, но это темная материя для вас.
Принося свет
Поскольку мы не знаем, из чего состоит темная материя, мы свободны в создании всевозможных сценариев, как мирских, так и причудливых. Самая простая картина темной материи говорит о том, что она большая и базовая. Да, он составляет подавляющее большинство массы вселенной, но он состоит только из одной высоко плодовитой частицы, которая не имеет ничего, кроме массы. Это означает, что материал может проявить себя через гравитацию, но в противном случае никогда не взаимодействует через другие силы. Мы никогда не увидим темной материи, делающей что-нибудь еще.
Причудливые сценарии веселее.
Когда теоретикам становится скучно, они готовят идеи о том, какой может быть темная материя, и, что более важно, как мы можем ее обнаружить. Следующий уровень в масштабе интересных теорий темной материи говорит, что вещество может иногда общаться с нормальной материей через слабую ядерную силу. Эта идея мотивирует эксперименты с темной материей и детекторы по всему миру сегодня.
Но, тем не менее, этот сценарий предполагает, что есть только четыре силы природы. Если темная материя является ранее невидимой частицей, то вполне разумно предположить (потому что мы понятия не имеем, правы мы или нет), что она упакована с ранее неизвестной силой природы - или, возможно, парой, которая знает ? Эта потенциальная сила может позволить темной материи говорить только с темной материей, или она может переплетаться с темной материей и темной энергией (которую мы также не понимаем), или она может открыть новый канал связи между нормальным и темным секторами нашей вселенной. ,
Восстание темного фотона
Один из предлагаемых коммуникационных порталов между светлым и темным царствами называется темным фотоном, аналогичным знакомому (световому) фотону электромагнитной силы. Мы не видим, не пробуем и не ощущаем запах темных фотонов напрямую, но они могут смешиваться с нашим миром. В этом сценарии темная материя испускает темные фотоны, которые являются относительно массивными частицами. Это означает, что они оказывают влияние только на небольшом расстоянии, совсем не так, как их светоносные аналоги. Но иногда темный фотон мог взаимодействовать с обычным фотоном, изменяя его энергию и траекторию.
Это было бы очень редким событием; в противном случае мы бы заметили что-то необычное с электромагнетизмом давно.
Таким образом, даже с темными фотонами мы не сможем увидеть темную материю напрямую, но мы могли бы обнаружить существование темных фотонов, исследуя сгустки электромагнитных взаимодействий. В крошечной части этих сгустков темный фотон мог «украсть» энергию у обычного фотона, взаимодействуя с ним.
Но, как я уже сказал, нам нужны порции взаимодействия. Так уж сложилось, что мы создали гигантские Машины науки, чтобы производить именно это, поэтому нам повезло.
В статье arXiv физики сообщили о своих результатах после изучения трехлетних данных с суперпротонного синхротрона, второго по величине ускорителя частиц в ЦЕРН. Для этого эксперимента ученые разбили протоны о субатомный эквивалент кирпичной стены и посмотрели на все фрагменты в последствии.
В обломках исследователи обнаружили электроны - их много. За три года ученые насчитали более 20 миллиардов электронов с энергией более 100 ГэВ. Поскольку электроны являются заряженными частицами и любят взаимодействовать друг с другом, электроны высокой энергии в этом эксперименте также породили много фотонов. Если существуют темные фотоны, то они должны иногда взаимодействовать и красть энергию у одного из обычных фотонов, явление, которое проявилось бы в эксперименте как недостаток света.
Этот поиск темных фотонов оказался пустым - все нормальные фотоны присутствовали и учитывались - но это не полностью исключает существование темных фотонов. Вместо этого он накладывает ограничения на допустимые свойства этих частиц. Если бы они действительно существовали, они были бы с низкой энергией (меньше чем ГэВ, основываясь на результатах эксперимента) и только очень редко взаимодействовали бы с обычными фотонами.
Тем не менее, поиск темных фотонов продолжается, и будущие эксперименты станут еще более очевидными для этого предполагаемого существа субатомного мира.
Подробнее: «Поиск темной материи в пропавшей энергетике с NA64»
Пол М. Саттер является астрофизиком в Государственный университет Огайо, хозяин "Спроси космонавта" и "Космическое Радио, "и автор"Ваше место во Вселенной."
