Te dziwne „quasiparticles” mogą wreszcie zdemaskować ciemną materię


Około 80% całej materii w kosmosie ma postać całkowicie nieznaną obecnej fizyce. Nazywamy to ciemną materią, ponieważ najlepiej możemy powiedzieć, że jest … ciemna. Eksperymenty na całym świecie próbują uchwycić zabłąkaną cząstkę ciemnej materii w nadziei na jej zrozumienie, ale jak dotąd okazały się puste.

Niedawno zespół teoretyków zaproponował nowy sposób polowania na ciemną materię za pomocą dziwnych „cząstek” zwanych magnonami, których nazwa nie tylko wymyśliłem. Te maleńkie zmarszczki mogłyby zwabić nawet przelotną, lekką cząstkę ciemnej materii z ukrycia, twierdzą teoretycy. [The 11 Biggest Unanswered Questions About Dark Matter]

Znamy różne rzeczy o ciemnej materii, z godnym uwagi wyjątkiem tego, czym ona jest.

Nawet jeśli nie możemy go bezpośrednio wykryć, widzimy dowód ciemnej materii, gdy tylko otworzymy nasze teleskopy do szerszego wszechświata. Pierwsze objawienie, sięgające wstecz w latach trzydziestych, nastąpiło poprzez obserwacje gromad galaktyk, jednych z największych struktur we wszechświecie. Galaktyki, które je zamieszkiwały, po prostu poruszały się zbyt szybko, aby mogły być trzymane razem jako gromada. To dlatego, że zbiorcza masa galaktyk daje grawitacyjny klej, który utrzymuje skupisko razem – im większa masa, tym silniejszy klej. Super mocny klej może pomieścić nawet najszybciej poruszające się galaktyki. Szybciej, a gromada po prostu się rozpadnie.

Ale tam istniały gromady, w których galaktyki brzęczały w ich wnętrzu znacznie szybciej niż powinny dawać masę gromady. Coś miało wystarczająco dużo siły grawitacyjnej, aby trzymać gromady razem, ale coś nie emitowało ani nie oddziaływało ze światłem.

Tajemnica ta pozostała nierozwiązana przez dziesięciolecia, aw latach siedemdziesiątych astronom Vera Rubin podniósł poprzeczkę na wielką skalę poprzez obserwacje gwiazd w galaktykach. Po raz kolejny rzeczy poruszały się zbyt szybko: biorąc pod uwagę ich obserwowaną masę, galaktyki w naszym wszechświecie powinny się rozdzielić miliardy lat temu. Coś ich trzymało. Coś niewidzialnego. [11 Fascinating Facts About Our Milky Way Galaxy]

Historia powtarza się w całym kosmosie, zarówno w czasie, jak iw przestrzeni. Od najwcześniejszego światła od Wielkiego Wybuchu do największych struktur we wszechświecie, jest tam coś fajnego.

Więc ciemna materia jest tam bardzo silna – po prostu nie możemy znaleźć żadnej realnej hipotezy wyjaśniającej tsunami danych na poparcie jej istnienia. Ale co to jest? Naszym najlepszym przypuszczeniem jest to, że ciemna materia jest rodzajem nowej, egzotycznej cząstki, nieznanej dotąd fizyce. Na tym zdjęciu ciemna materia zalewa każdą galaktykę. W rzeczywistości widzialna część galaktyki widziana przez gwiazdy i chmury gazu i pyłu jest po prostu małą latarnią morską ustawioną na znacznie większym, ciemniejszym brzegu. Każda galaktyka znajduje się w dużym „halo” złożonym z zillionów na zillionach cząstek ciemnej materii.

Te cząstki ciemnej materii przepływają teraz przez twój pokój. Przesyłają się przez ciebie. Niekończący się deszczowy deszcz o drobnych, niewidzialnych cząstkach ciemnej materii. Ale po prostu ich nie zauważasz. Nie oddziałują ze światłem ani z naładowanymi cząstkami. Jesteś zbudowany z naładowanych cząstek i jesteś bardzo przyjazny dla światła; jesteś niewidzialny dla ciemnej materii, a ciemna materia jest dla ciebie niewidzialna. Jedynym sposobem „zobaczenia” ciemnej materii jest siła grawitacyjna; grawitacja zauważa każdą formę materii i energii we wszechświecie, ciemną lub nie, więc w największych skalach obserwujemy wpływ połączonej masy wszystkich tych niezliczonych cząstek. Ale tu w twoim pokoju? Nic.

Chyba że mamy nadzieję, że ciemna materia wchodzi w interakcję z normalną materią. Możliwe, że cząstka ciemnej materii, niezależnie od tego, co to jest, odczuwa słabą siłę jądrową – która jest odpowiedzialna za rozpad promieniotwórczy – otwierając nowe okno w tym ukrytym królestwie. Wyobraź sobie budowę gigantycznego detektora, po prostu dużą masę dowolnego elementu, który masz pod ręką. Przepływają przez niego cząstki ciemnej materii, prawie wszystkie są całkowicie nieszkodliwe. Ale czasami, z rzadkością zależną od konkretnego modelu ciemnej materii, przechodząca cząstka oddziałuje z jednym z jąder atomowych pierwiastków w detektorze przez słabą siłę jądrową, wybijając ją z miejsca i tworząc całą masę detektora kołczan.

Ta konfiguracja eksperymentalna działa tylko wtedy, gdy cząstka ciemnej materii jest stosunkowo ciężka, dając jej wystarczającą moc, aby wyeliminować jądro w jednej z tych rzadkich interakcji. Jednak jak dotąd żaden z detektorów ciemnej materii na świecie nie widział śladu interakcji, nawet po latach poszukiwań. W miarę jak eksperymenty się pogarszały, powoli wykluczano dopuszczalne właściwości ciemnej materii. To niekoniecznie jest złe; po prostu nie wiemy, z czego zbudowana jest ciemna materia, więc im więcej wiemy o tym, czym nie jest, tym wyraźniejszy jest obraz tego, czym może być.

Ale brak wyników może być trochę niepokojący. Najciężsi kandydaci na ciemną materię są wykluczani, a jeśli tajemnicza cząstka jest zbyt jasna, nigdy nie będzie widoczna w detektorach, ponieważ są one teraz ustawione. To znaczy, chyba że istnieje inny sposób, w jaki ciemna materia może rozmawiać ze zwykłą materią.

W niedawnym artykule opublikowanym w internetowym czasopiśmie preprint arXiv fizycy szczegółowo opisują proponowaną konfigurację eksperymentalną, która może wykryć cząstkę ciemnej materii w akcie zmiany spinów elektronów (jeśli w rzeczywistości może to zrobić ciemna materia). W tej konfiguracji ciemna materia może zostać potencjalnie wykryta, nawet jeśli podejrzana cząstka jest bardzo lekka. Może to zrobić, tworząc w materiale tak zwane magnony.

Udawaj, że masz kawałek materiału w temperaturze zera absolutnego. Wszystkie spiny – jak małe magnesy-pręty – wszystkich elektronów w tej materii będą skierowane w tym samym kierunku. Gdy powoli podnosisz temperaturę, niektóre elektrony zaczną się budzić, obracać i losowo wskazywać swoje obroty w przeciwnym kierunku. Im wyżej podnosisz temperaturę, tym więcej elektronów zwija się – a każde z tych przesunięć zmniejsza siłę magnetyczną tylko o trochę. Każda z tych odwróconych spinów powoduje również niewielką falę w energii materiału, a te ruchy mogą być postrzegane jako quasi-cząstka, a nie prawdziwa cząstka, ale coś, co można opisać matematyką w ten sposób. Te kwazicząstki są znane jako „magnony”, prawdopodobnie dlatego, że są jak małe, słodkie małe magnesy.

Więc jeśli zaczniesz od naprawdę zimnego materiału i wystarczająco dużo cząstek ciemnej materii uderzy w materiał i obróci kilka spinów wokół, zauważysz magnony. Ze względu na czułość eksperymentu i naturę interakcji, ta konfiguracja może wykryć lekką cząstkę ciemnej materii.

To znaczy, jeśli istnieje.

Paul M. Sutter jest astrofizykiem w Uniwersytet stanu Ohio, gospodarzem Zapytaj kosmitę i Kosmiczne radio, i autor Twoje miejsce we wszechświecie.

Pierwotnie opublikowane na Live Science.