Около 80% всего вещества в космосе имеет форму, совершенно неизвестную современной физике. Мы называем это темной материей, потому что, насколько мы можем судить, это ... темно. Эксперименты по всему миру пытаются захватить случайную частицу темной материи в надежде понять ее, но пока они оказались пустыми.
Недавно группа теоретиков предложила новый способ охоты на темную материю, используя странные «частицы», называемые магнонами, имя, которое я не просто придумал. Те крошечные рябь могут выманить даже мимолетную, легкую частицу темной материи из укрытия, говорят эти теоретики.
Головоломка темной материи
Мы знаем все о темной материи, за исключением того, что это такое.
Хотя мы не можем непосредственно обнаружить это, мы видим свидетельство темной материи, как только мы открываем наши телескопы для более широкой вселенной. Первое открытие, еще в 1930-х годах, пришло через наблюдения скоплений галактик, некоторых из самых больших структур во вселенной. Галактики, которые населяли их, просто двигались слишком быстро, чтобы их можно было объединить в одно целое. Это потому, что коллективная масса галактик дает гравитационный клей, который удерживает кластер вместе - чем больше масса, тем сильнее этот клей. Сверхпрочный клей может удерживать даже самые быстро движущиеся галактики. Быстрее, и кластер просто разорвется на части.
Но там скопления существовали, и внутри них гудели галактики гораздо быстрее, чем они должны были дать массу скопления. У чего-то было достаточно гравитационного захвата, чтобы удерживать скопления вместе, но что-то не излучало и не взаимодействовало со светом.
Эта загадка сохранялась неразрешенной в течение десятилетий, и в 1970-х астроном Вера Рубин значительно повысила ставку, наблюдая за звездами в галактиках. Еще раз, все двигалось слишком быстро: учитывая их наблюдаемую массу, галактики в нашей вселенной должны были расколоться на миллиарды лет назад. Что-то держало их вместе. Нечто невидимое
История повторяется по всему космосу, как во времени, так и в пространстве. От самого раннего света от Большого взрыва до крупнейших структур во вселенной, есть что-то необычное.
Поиск в темноте
Так что темной материи очень много - мы просто не можем найти другую жизнеспособную гипотезу, объясняющую цунами данных в поддержку ее существования. Но что это? Наше лучшее предположение состоит в том, что темная материя - это некая новая, экзотическая частица, до сих пор неизвестная физике. На этой фотографии темная материя затопляет каждую галактику. Фактически, видимая часть галактики, видимая сквозь звезды и облака газа и пыли, представляет собой просто крошечный маяк, расположенный на намного более темном берегу. Каждая галактика находится в большом «гало», состоящем из миллиардов частиц темной материи.
Эти частицы темной материи текут через вашу комнату прямо сейчас. Они текут через тебя. Бесконечный ливневый дождь из крошечных невидимых частиц темной материи. Но вы их просто не замечаете. Они не взаимодействуют со светом или заряженными частицами. Вы сделаны из заряженных частиц, и вы очень дружелюбны со светом; вы невидимы для темной материи, а темная материя невидима для вас. Единственный способ, которым мы «видим» темную материю, это сила гравитации; гравитация замечает каждую форму материи и энергии во вселенной, темную или нет, поэтому в самых больших масштабах мы наблюдаем влияние объединенной массы всех этих бесчисленных частиц. Но здесь, в вашей комнате? Ничего.
Если, мы надеемся, не существует другого способа взаимодействия темной материи с нами, нормальной материей. Возможно, что частица темной материи, какой бы она ни была, также чувствует слабую ядерную силу, которая ответственна за радиоактивный распад, открывая новое окно в эту скрытую сферу. Представьте себе, что вы создаете гигантский детектор, просто большую массу любого элемента, который у вас есть под рукой. Частицы темной материи текут через него, почти все они совершенно безвредны. Но иногда, с редкостью, зависящей от конкретной модели темной материи, проходящая частица взаимодействует с одним из атомных ядер элементов в детекторе через слабую ядерную силу, выбивая ее из своего места и делая всю массу детектора колчан.
Введите магнон
Эта экспериментальная установка работает, только если частица темной материи является относительно тяжелой, что дает ей достаточно силы, чтобы выбить ядро в одном из этих редких взаимодействий. Но до сих пор ни один из детекторов темной материи по всему миру не видел никаких следов взаимодействия даже после многих лет поиска. Поскольку эксперименты основывались, допустимые свойства темной материи медленно исключались. Это не обязательно плохо; мы просто не знаем, из чего состоит темная материя, поэтому чем больше мы узнаем о том, чем она не является, тем яснее становится представление о том, чем она может быть.
Но отсутствие результатов может немного беспокоить. Самые тяжелые кандидаты на темную материю исключаются, и если таинственная частица слишком легкая, она никогда не будет видна в детекторах, поскольку они установлены прямо сейчас. То есть, если нет другого способа, которым темная материя может говорить с обычной материей.
В недавней статье, опубликованной в препринтном онлайн-журнале arXiv, физики подробно описывают предлагаемую экспериментальную установку, которая может обнаружить частицу темной материи в процессе изменения спина электронов (если, на самом деле, темная материя может это сделать). В этой установке темная материя потенциально может быть обнаружена, даже если подозреваемая частица очень светлая. Это можно сделать, создав в материале так называемые магноны.
Представьте, что у вас есть кусок материала при температуре абсолютного нуля. Все спины - как крошечные маленькие магниты - всех электронов в этом веществе будут указывать в одном направлении. Когда вы медленно поднимаете температуру, некоторые электроны начнут просыпаться, покачиваться и случайным образом направлять свои вращения в противоположном направлении. Чем выше вы поднимаете температуру, тем больше электронов переворачивается - и каждый из этих переворотов чуть-чуть уменьшает магнитную силу. Каждый из этих перевернутых спинов также вызывает небольшую пульсацию в энергии материала, и эти покачивания можно рассматривать как квазичастицу, а не как истинную частицу, но что-то, что вы можете описать с помощью математики таким образом. Эти квазичастицы известны как «магноны», вероятно потому, что они похожи на крошечные, милые маленькие магнитики.
Так что, если вы начнете с действительно холодного материала, и достаточное количество частиц темной материи ударит материал и перевернет несколько спинов, вы увидите магноны. Из-за чувствительности эксперимента и характера взаимодействий эта установка может обнаружить легкую частицу темной материи.
То есть, если он существует.
Пол М. Саттер является астрофизиком в Государственный университет Огайо, хозяин Спроси космонавта и Космическое Радиои автор Ваше место во Вселенной.
