Tumma Asia Vain Sai Murkier

{h1}

Ei-löydökset aiheuttavat fyysikkoja uudelleen harkitsemaan, miten he ajattelevat pimeästä aineesta, salaperäisestä "tavaraa", joka läpäisee maailmankaikkeuden.

Don Lincoln on Yhdysvaltojen energiaministeriön Fermilabin, Amerikan suurimman Hadron Collider -tutkimuslaitoksen, johtava tutkija. Hän kirjoittaa myös tiedettä yleisölle, mukaan lukien hänen viimeaikainen "Suuret Hadron Collider: Higgs Bosonin ylimääräinen tarina ja muut asiat, jotka räjäyttävät mielesi"(Johns Hopkins University Press, 2014). Voit seurata häntäFacebook. Lincoln antoi tämän artikkelin WordsSideKick.com's: lle Asiantuntijat: Op-Ed & Insights.

He sanovat, että rakkaus tekee maailman ympäri ja se voi olla totta. Mutta kun tarkastelet asioita paljon suuremmassa mittakaavassa - sanoa galaksien koko - rakkaus ei riitä. Ja tässä suhteessa kukaan ei olekaan galaksien tähtiä. Itse asiassa se, mikä tekee galaksien kulkevan, on eräänlainen asia, jota ei ole koskaan havaittu suoraan. Kyseistä tuntematonta "tavaraa" kutsutaan tummaksi aineeksi, ja äskettäin ilmestyi hämmästyttävä uusi mittaus, joka aiheuttaa tieteellistä maailmaa uudelleenkäsitellä pitkiä ajatuksia.

Viimeisin osuus pimeän aineiston tuntemuksestasi teki Large Underground Xenon (LUX) -yhteistyö. LUX on astia, joka koostuu kolmannesta tonnista nestemäistä ksenonia ja se on tehokkain pimeä-aine-ilmaisin, joka on koskaan rakennettu. Sanfordin maanalainen tutkimustila (SURF) sijaitsee pimeä-alan laboratorio, joka sijaitsee melkein 1,6 kilometrin päässä Black Hillsin lähellä, lähellä Leadia, Etelä-Dakota. Se on suunniteltu havaitsemaan ajoittain hämähäkin tuulen pimeän aineen, jonka ajatellaan ulottuvan aurinkokunnan läpi. [6 Cool Underground Science Labs]

Ja asia on, se ei havainnut mitään. Tämä ei-löytö on se, mikä aiheuttaa fyysikkoja uudelleen harkitsemaan, miten he ajattelevat pimeästä aineesta.

Galaksien ylläpitäminen

Pimeä aine on vastaus lähes vuosisadan vanhaan ongelmaan. 1930-luvun alussa, pian sen jälkeen, kun tähtitieteilijät olivat ymmärtäneet, että maailmankaikkeus koostuu lukemattomista galaksieista, tiedemiehet käänsivät huomionsa siihen, miten galaksit kiertelivät tähtien dynamiikkaa - olennaisesti, kuinka galaksit pyörivät. Hollantilainen tähtitieteilijä Jan Oort sovelsi Newtonin liikkeen ja painovoiman lakeja havaitulle aineelle omassa Linnunrataan ja huomasi, että galaksimme pyörii nopeammin kuin hän oli laskenut. Näytti siltä, ​​että Linnunradalla oli kaksinkertainen massa, jonka tähtitieteilijät olivat arvioineet. Tietenkin tämä oli aikakaudella, jossa täsmällinen galaktinen tähtitiede syntyi ja erimielisyys laskennan ja vain kahden tekijän mittaamisen välillä pidettiin erinomaisena sopimuksena.

Galaksiklustereiden väkivaltainen törmäys muodosti Abell 520-galaksiklusterin. False-värikartat, jotka ovat päällekkäin kuvasta, paljastavat klusterin suurimman massakeskiön (sininen), jonka tutkijat sanovat olevan pimeän aineen hallitsema.

Galaksiklustereiden väkivaltainen törmäys muodosti Abell 520-galaksiklusterin. False-värikartat, jotka ovat päällekkäin kuvasta, paljastavat klusterin suurimman massakeskiön (sininen), jonka tutkijat sanovat olevan pimeän aineen hallitsema.

Kieli: ASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (Kalifornian yliopisto, Davis) ja A. Mahdavi (San Francisco State University)

Kuitenkin pian Oortin mittausten jälkeen bulgarialais-sveitsiläinen tähtitieteilijä Fritz Zwicky opiskeli Coma-klusteria, joka oli suuri joukko yli tuhannesta galaksista, jotka olivat sidoksissa toisiinsa keskinäisessä painovoimassaan valtavassa rakenteessa. Kun hän mitasi galaksien nopeuden, hän huomasi myös, että he liikuttuivat aivan liian nopeasti painovoiman lempeä hinaaja pitääkseen heidät yhteen. Kaikilla oikeuksilla klusterin olisi pitänyt irrottaa itsensä. Mutta se ei. Hän laski, että klusteri oli 400 kertaa enemmän materiaalia kuin mitä tavalliset teleskoopit näkivät. Nykyaikaiset mittaukset ovat vähentäneet tätä lukumäärää, mutta ero on yhä 100-kertainen. Zwicky ehdotti, että on olemassa eräänlainen näkymättömiä aineita, jotka pitävät yhdessä klusteria, jonka hän kutsui "dunkle Matterie "ksi tai tummaksi aineeksi. [TED-Ex Talk: Kuinka Dark Matter selittää tähtinopeuden?]

1970-luvulla tähtitieteilijä Vera Rubin yritti löytää epäsäännöllisen aiheen tutkia, kun hän käänsi huomionsa galaksien pyörimiskäyksiin. Tämä on mittaus tähtien kiertoradasta galakseissa niiden etäisyyden mukaan. Hän havaitsi, että mittaukset sopivat hyvin ennusteisiin galaksin keskellä ja edes lähestyivät kehää. Mutta galaksin laitamilla tähdet kiertelivät paljon nopeammin kuin tunnetut fysiikan lait ja havaitut asiat. Näytti siltä, ​​että Zwickyn pimeä asia saattaa näkyä myös galaksien sisätiloissa. (Selvästi, Rubin epäonnistui epäilemättä yrittäessään löytää epäsäännöllisen aiheen.)

Vuosikymmeninä on ehdotettu useita ideoita, joilla selitetään laaja valikoima tähtitieteellisiä mysteerejä, siitä mahdollisuudesta, että Newtonin liikkeen lakia ei ehkä sovelleta kiihdytysten pienentyessä, ajatukseen, että sekä Newton että Einstein olisivat väärässä painovoimasta. Nämä hypoteesit eivät ole selviytyneet tiukkaan testaukseen. Toinen ajatus oli, että kentällä on universumissa sellaisia ​​aineita, jotka eivät aiheuta sähkömagneettista energiaa... tämä oli Zwickyn pimeä asia.

Mutta täälläkin oli monia mahdollisuuksia. Todennäköisin vaihtoehto oli se, että maailmankaikkeus asui mustavalkoisia, ruskeita kääpiöitä, väärennettyjä planeettoja ja muita tummia esineitä, jotka koostuivat samanlaisesta tavallisesta aineesta, joka muodostaa maailmankaikkeuden näkyvän osan. Nämä kohteet ovat massiivisia ja kompakteja ja riittävän kylmiä, etteivät he aiheuta valoa kuin tähdet. Joitakin tällaisia ​​esineitä löytyi, mutta ei riitä ratkaisemaan mysteeriä. Tästä johtuen tähtitieteelliset tutkimukset 1990-luvulla kokonaan sulkivat pois tämän ajatuksen. Sherlock Holmesin sivulta ottaessa "Neljä kirjainta", jossa hän sanoi: "Kun olet sulkenut pois mahdottoman, mikä on jäljellä, mutta epätodennäköistä, on oltava totuus", tutkijat ovat joutuneet päättelemään, että uusi muoto näkymättömästä pimeästä aineesta läpäisee maailmankaikkeuden. Ehkä vieläkin yllättävämpi, näyttää siltä, ​​että viisi kertaa enemmän pimeää materiaalia kuin tavallinen asia.

Pimeän aineen ominaisuudet

Emme ole koskaan havainneet suoraan pimeää ainetta, mutta tiedämme paljon siitä, mitä sen täytyy olla: sen on oltava massiivinen (koska se vaikuttaa galaksien kiertoon); sen on oltava sähköisesti neutraali (koska emme voi nähdä sitä); sen on oltava erilainen kuin tavallinen asia (koska emme näe mitään todisteita siitä, että se vuorovaikutuksessa materiaalin kanssa tavallisilla tavoilla); ja sen täytyy olla vakaa (koska se on ollut olemassa maailmankaikkeuden aamun jälkeen). Nämä ominaisuudet ovat yksiselitteisiä.

Emme kuitenkaan tiedä tarkalleen mitä se on. Yleisimmän yleisen teorian mukaan pimeä-ainepartikkeli kutsutaan WIMP: ksi, koska heikko vuorovaikutteinen massiivinen partikkeli. WIMP: t ovat sellaisia ​​kuin raskas neutronit (mutta varmasti neutronit), joiden massa on 10 - 100 kertaa raskaampaa kuin protoni. Ne syntyivät suuria määriä Big Bangin aikana, ja pieni muinaisjäännökset pysyvät vielä tänäkin päivänä.

Kun kosmologit lisäävät WIMP-ideansa Big Bangin ideoille, he voivat laskea miten se vuorovaikutteisesti. He havaitsevat, että maailmankaikkeuden varhaisimmissa vaiheissa WIMP: t olivat määräävässä muodossa oleva aine, mutta kun maailmankaikkeus laajenee ja jäähtyy ja vuorovaikutusnopeus laskee nollaan, WIMP: n reliktiomäärä on noin viisi kertaa niin suuri kuin tavallinen asia. Yhdistettynä siihen, että WIMP-idea voi myös selittää painavan teoreettisen mysteerin siitä, miksi Higgsin bosonipartikkelilla on niin pieni massa, tutkijat kutsuvat tätä "WIMP-ihmeeksi", koska WIMP-idea näyttää vastaavan niin monta kysymyksiä.

Pimeä ei löydy

Joten tämä tuo meidät takaisin LUX-kokeeseen. Se on yksinkertaisesti uusin ja tehokkain kokeilu, joka on suunniteltu havaitsemaan WIMP: t. Ajatuksena on, että ilmaisin istuu maan alle kauan, sanoa vuosi tai enemmän, ja harvinainen WIMP kipuisi ksenonatomiin ja havaitaan. (Ilmaisin on haudattu maan alle suojelemaan sitä kosmisista säteilyistä, joka törmäisi ksenonatomeihin ja rikkoisi pimeän aineen havaitsemisen. Se, että se on puolen kilometrin tai maan alle, pysähtyy lähes kaikkiin kosmisiin säteisiin.)

Yllä oleva volyymi, osa Large Underground Xenon -yhteistyötä, täytetään nestemäisellä ksenonilla ja mahdollinen vuorovaikutus xenonin kanssa voidaan havaita, mikä saattaa paljastaa pimeän aineen tunnisteen.

Yllä oleva volyymi, osa Large Underground Xenon -yhteistyötä, täytetään nestemäisellä ksenonilla ja mahdollinen vuorovaikutus xenonin kanssa voidaan havaita, mikä saattaa paljastaa pimeän aineen tunnisteen.

Luottokortti: Kuva C.H. Faham

27. elokuuta LUX-tutkijat ilmoittivat tuloksensa. He eivät nähneet todisteita pimeän aineen WIMP: eistä.

Joten se ei todellakaan ole yllättävää. On ollut kymmeniä kokeita, jotka ovat etsineet pimeää ainetta ja eivät löytäneet mitään. Tässä mielessä LUX on liittynyt arvostettuun ryhmään. Mutta LUX on myös paljon kykenempi. Odotettiin olevan parempi ammuttu WIMP: n löytämisessä kuin mikään muu laite.

Mutta se ei.

Joten tämä tarkoittaa, että WIMP-idea on kuollut? Ei, ei oikeastaan. Tumman aineen ilmaisimet on optimoitu herkimpiin tiettyihin massoihin, kuten sellainen, että tietyn mikrofonin saattaisi kerätä tenoriäänisiä paremmin kuin kuuntelee sopranoa tai bassoa. LUX: n optimoitiin WIMP: n löytämiseksi muutamia kymmeniä kertaa raskaampaa kuin protoni. Itse asiassa se sulki pois WIMP: n, jolla oli 50-kertainen protoni, jolla oli vaikuttava hylkääminen. LUX ei kuitenkaan tee niin hyvin havaitsemalla WIMP: t, joiden massa on alle 10 kertaa protonin massa. Ja jos WIMP: t ovat olemassa ja niiden massat ovat 1000 kertaa raskaampia kuin protoni, tämä ei myöskään ole LUX: n optimaalinen tutkimusalue. Joten on olemassa joukko massoja, joissa WIMP voisi olla olemassa.

Axions, pimeä elämä ja tumma lataus

Jopa niin, WIMPs olivat yksinkertaisesti suosituin ajatus pimeästä aineesta. On muita oletuksia. Yksi hypoteesi viittaa hiukkaseen, jota kutsutaan steriiliksi neutrinoiksi, joka on sunnuntaina tunnettujen neutriinien syntymisestä ydinreaktioissa. Itse asiassa suurimman lähellä olevan ydinreaktorin (aurinko) neutriinit tukevat jatkuvasti maata. Toisin kuin tavalliset neutriinit, jotka ovat ultrakevyt ja vuorovaikutuksessa heikon ydinvoiman välityksellä, steriilit neutriinit ovat raskaita eivätkä heillä ole heikkoa voimaa. Se on raskas massa ja ei-vuorovaikutteisia ominaisuuksia, jotka tekevät steriilistä neutrinoa ihanteellisen pimeän aineen ehdokasta.

Toinen mahdollinen pimeä-ainepartikkeli, aksioni, ehdotettiin vuonna 1977, jolla varmistettaisiin, että vahva ydinvoima käsitellyt aineet ja antimateriaali tasa-arvoisesti (kuten sopivat havaintoihin). Aksioni on erittäin kevyt, mutta silti massiivinen, hypoteettinen partikkeli. LUX-ilmaisinta ei ole suunniteltu tutkimaan aksioita.

Sitten tietysti on vielä luova hypoteesi, joka viittaa siihen, että pimeä aine ei ole yksittäinen, neutraali, ei-vuorovaikutteinen hiukkanen. Loppujen lopuksi tavallinen asia on melko monimutkainen. Kvantti-asteikolla meillä on kvarkeja ja leptoneja ja neljä voimia. Makro-asteikolla meillä ja minulla on sokeria ja tähtiä ja tulivuoria sekä kaikkia eri tapoja vuorovaikutuksessa. Tavallisella aineella on kaikenlaisia ​​vuorovaikutuksia ja ainesosia. Miksi ei pimeää ainetta? [7 outoa tietoa Quarkista]

Tämän hypoteesin mukaan pimeällä aineella voi olla "tumma lataus" tai pimeän aineen sähkövaraus. Samalla tavalla kuin pimeässä aineessa ei tapahdu tummaa maksua, ehkä tavallinen aine ei koe tummaa latausta. Tämä tumma lataus vuorovaikutuksessa tummien fotonien kanssa tai tavallisten kevyiden hiukkasten tummien kaksosten kanssa.

Ja vielä rohkeampi, ehkä pimeässä aineessa on monia voimia ja on koko monimutkainen pimeä sektori, jossa on pimeitä atomia ja tummia molekyylejä ja ehkä jopa tumma elämä. Voimme asettaa rajoituksia näihin mahdollisiin tummiin vuorovaikutuksiin; esimerkiksi tiedämme tarpeeksi sulkea pois pimeät tähdet ja planeetit, mutta tummat asteroidit ovat mahdollisia. Jälleen LUX hiljaa näistä uusista ideoista.

Ei ole oikein sanoa, että LUX-mittaus johtaa hiukkasfysiikan ja kosmologian kriisiin. Mutta se varmasti antaa tutkijoille tauon ja ehdottaa, että ehkä meidän pitäisi tarkastella tätä WIMP-asiaa uudelleen. Ehkä muita ideoita on tarkistettava. Toisaalta tiedemiehet, jotka haluavat jatkaa WIMP-ideaan pyrkimistä, ovat silti odottamassa jotain teknologian kehittyessä. LUX käyttää kolmannekseen tonnia nestemäistä ksenonia. 10 tai 15 vuoden kuluttua tutkijat aikovat rakentaa ilmaisimia, jotka saattavat sisältää 100 tonnia, mikä tarjoaa entistä paremmat mahdollisuudet kaapata tämä harvinainen WIMP-vuorovaikutus. Nämä ovat päänäisiä aikoja olemaan pimeä-aine tutkija.

Mutta loppujen lopuksi emme vielä tiedä. Tiedämme vain, että LUX: n kyvyt ovat riittävän hyviä, että on ehkä aika laajentaa ajattelumme. Rock-yhtye Buffalo Springfield sanoo: "Täällä tapahtuu jotain, mikä ei ole aivan selvää..."

Seuraa kaikkia asiantuntijaryhmiä koskevia kysymyksiä ja keskusteluja - ja voit liittyä keskusteluun - Facebookissa, Twitterissä ja Google+ -palvelussa. Näkemykset ovat tekijän näkemyksiä, eivät välttämättä vastaa julkaisijan näkemyksiä. Artikkelin tämä versio julkaistiin alun perin WordsSideKick.com -sivustolla.


Video Täydentää: CS50 2016 Week 0 at Yale (pre-release).




FI.WordsSideKick.com
Kaikki Oikeudet Pidätetään!
Jäljentämistä Materiaalien Sallittu Vain Prostanovkoy Aktiivinen Linkki Sivustoon FI.WordsSideKick.com

© 2005–2019 FI.WordsSideKick.com