ФизикаКвантовая физика

Поиск темной материи: физики смотрят в неправильном направлении?

Темная материя считается наиболее распространенной формой материи во Вселенной, ее масса примерно в пять раз больше массы обычной материи, содержащейся в звездах и галактиках. Есть только одна проблема: несмотря на полвека усилий, ученые нашли только косвенные доказательства ее существования. Теперь измерение с помощью нового сверхточного эксперимента намекает, что ученые, возможно, смотрели в неправильном направлении.

Галактики во Вселенной движутся слишком быстро и вращаются слишком быстро, чтобы их можно было объяснить наблюдаемой материей в космосе и принятыми законами физики. Самое популярное объяснение этих любопытных наблюдений заключается в том, что Вселенная пронизана большим количеством невидимой формы материи. Эта материя, условно названная темной материей, может гравитационно взаимодействовать с обычными формами материи, но темная материя не излучает и не поглощает свет.

Хотя было предложено и отвергнуто несколько кандидатных форм темной материи, с конца 1990-х годов научное сообщество остановилось на предпочтительном кандидате темной материи, называемом WIMP (Weakly Interacting Massive Particle — слабо взаимодействующая массивная частица). Если WIMP реальны, консенсус заключается в том, что они являются стабильными субатомными частицами, электрически нейтральными, с массой в диапазоне от 100 до 100 000 ГэВ. (ГэВ — это единица энергии, которая связана с массой через уравнение Эйнштейна E = mc2. Для контекста, протон имеет массу около 1 ГэВ.)

Согласно популярной теории, WIMP нельзя увидеть, хотя они и оказывают гравитационное воздействие. В отличие от обычной материи, которая объединяется в звезды и планеты, темная материя WIMP организована в виде огромных облаков «газа», которые окружают и пронизывают галактики, включая наш Млечный Путь. Если такие облака существуют, газ темной материи можно найти в Солнечной системе, и он образует «ветер WIMP», который постоянно проходит через Землю. В зависимости от массы отдельных частиц WIMP, если вы сожмете кулак, в этом объеме, возможно, будет одна частица WIMP.

Физики безуспешно искали этот WIMP-ветер, несмотря на ряд все более чувствительных детекторов. С середины 1980-х годов детекторы увеличили свою чувствительность в миллион раз. Один из современных детекторов мирового класса называется LUX-Zeplin (LZ). Он использует 10 тонн жидкого ксенона, охлажденного примерно до -100 °C, и расположен на глубине около 1480 метров в подземном исследовательском центре Сэнфорда (SURF) в заброшенной золотой шахте.

Детектор LUX-Zeplin
Детектор LUX-Zeplin.

Эта глубина защищает детектор от постоянного потока космических лучей из космоса, которые могут имитировать сигналы темной материи. Только семь из 10 тонн ксенона в центральном ядре детектора используются в последующих анализах; события, в которых сигналы видны в трех тоннах жидкого ксенона, которые образуют оболочку вокруг внутреннего ядра, отклоняются. Это гарантирует, что любые возможные обнаружения WIMP будут хорошо измерены.

Эксперимент LZ ожидает, что частица WIMP пройдет через детектор и столкнется с атомом ксенона. Прогнозируется, что следы от этого столкновения оставят обнаруживаемый сигнал. После 280 дней работы (из ожидаемых 1000) ученые LZ не обнаружили прохождения WIMP через свой детектор.

Недавно они представили результаты на конференциях TeVPA и LIDINE. Измерение, объявленное LZ, отражает пятикратное улучшение диапазона масс WIMP и вероятностей взаимодействия, которые исключены. Хотя существование WIMP остается возможным, текущее измерение делает их существование менее вероятным. Остается один диапазон масс, который LZ не смог исключить. Анализ, о котором ученые сообщили, не рассматривал массы WIMP ниже 9 ГэВ.

Учитывая диапазон масс, поддерживаемый большинством теорий WIMP (100–100 000 ГэВ), если окажется, что темная материя настолько легкая, возможно, что темная материя вообще не является WIMP. LZ продолжает анализировать свои данные. Тот факт, что исследователи избегали масс ниже 9 ГэВ, объясняется не тем, что у них нет данных; скорее, это связано с тем, что анализ малых масс очень сложен и потребует большей осторожности, прежде чем будут получены какие-либо результаты.

Будущие, более крупные эксперименты с жидким ксеноном смогут проводить еще более чувствительные измерения, однако существует предел того, насколько эксперименты по поиску WIMP могут быть улучшены. Следует отметить, что Земля постоянно «купается» в частицах, называемых нейтрино. Эти нейтрино возникают как из ядерных реакций на Солнце, так и из космических лучей. По сути, Земля существует в нейтринном тумане.

К сожалению, нейтринные взаимодействия в детекторах WIMP очень похожи на взаимодействия темной материи, поэтому, когда эксперименты с темной материей станут достаточно чувствительными, чтобы обнаружить этот нейтринный туман, станет невозможно обнаружить взаимодействия темной материи. Это будет похоже на попытку услышать шепот на рок-концерте.

Детектор с чувствительностью примерно в 10 раз лучше, чем LZ, сможет обнаружить нейтринный туман. Вероятно, потребуется от 10 до 15 лет, чтобы разработать детекторы с таким уровнем чувствительности. После достижения этого уровня традиционные поиски WIMP больше не будут возможны.

Означает ли это, что ученые приближаются к концу пути поиска темной материи? Вовсе нет. В конце концов, неожиданное движение галактик требует объяснения. Может быть, темная материя — это некая форма материи, которая не является WIMP. Действительно, некоторые физики обращают свое внимание на гораздо более легкого кандидата на темную материю, называемого аксионом.

Аксионы, как и WIMP, не были обнаружены, но для обнаружения аксионов требуются совершенно иные технологии, чем для частиц WIMP. Поиск темной материи будет продолжаться.

Поделиться в соцсетях
Источник
BigThink
Показать больше
Подписаться
Уведомление о
guest
15 Комментарий
Первые
Последние Популярные
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Геннадий Григорьевич
Геннадий Григорьевич
Гость
21 дней назад

Эфир это. Частичка которого состоит из электрона и позитрона

Марсианин
Участник
Ответить на  Геннадий Григорьевич
21 дней назад

Вы что, они же аннигилируют друг друга, как «эфир» может из них состоять?!

Геннадий Григорьевич
Геннадий Григорьевич
Гость
Ответить на  Марсианин
21 дней назад

А как по вашему «вакуум» рождает пару электрон позитрон?

kharko
Участник
Ответить на  Геннадий Григорьевич
21 дней назад

Материя переходит в энергию и наоборот, ну то-есть для рождения пары электрон-позитрон нужна только энергия, а аннигиляция этой пары высвобождает энергию.

Геннадий Григорьевич
Геннадий Григорьевич
Гость
Ответить на  kharko
20 дней назад

Очень понятно

Роман Рыбкин
Роман Рыбкин
Гость
21 дней назад

Ну я попытался в своей последней версии объяснить отсутствие взаимодействия «тёмной материи»с обычным веществом, мол эта материя не существует в привычной нам «метрике пространства-времени», и из-за этого в своём роде она «огибает» обычную, барионную материю (хотя тут слово «огибает» наверно не самое подходящее), проще говоря она состоит из менее, либо напротив более — размерных частиц (здесь вопрос лучше адресовать к математикам — насколько более справедливо это должно быть. У меня хоть и хорошее пространственное мышление, но всё же «сторону разницы, в одну пространственную единицу» определить я так и не смог). Просто уже убирал все другие варианты, и оставил что остаётся… Подробнее »

Последний раз редактировалось 21 дней назад, - Роман Рыбкин
Bong
Участник
Ответить на  Роман Рыбкин
20 дней назад

Вопрос лишь в том, что такое энергия. Поскольку если заиграться с этим понятием, то недалеко до псевдонауки, в которой гравитация может быть отдельно от вещества или материи.
Вне зависимости от того сколько энергии в веществе, вещества или материи меньше-больше не станет — может измениться качественно, но не количественно.

Роман Рыбкин
Роман Рыбкин
Гость
Ответить на  Bong
20 дней назад

Я как раз считаю что невозможно строго отделить понятия «энергии», «материи», «времени» и «пространства» друг от друга, только в общем появляется определение «поля», «взаимодействия» и так далее. Но для разума человека существует необходимость в выделении лишь одного момента из всего этого для основы построения своей логики в понимании вещей и процессов. Такими методами являются промежуточные свойства, в виде «квантовой» интерпретации, «струнной», теории «бран», в некотором роде даже и «общая теория относительности» — всё это попытки свести все физически понятия и определения к одному единственному основному моменту. По этому рассматривать «энергию» в контексте строгого одного единственного определения никак не получится, ну… Подробнее »

Последний раз редактировалось 20 дней назад, - Роман Рыбкин
Bong
Участник
Ответить на  Роман Рыбкин
20 дней назад

В природе так называемой энергии лишь фактор изменчивости вещества. Вещество первооснова, вне зависимости от того в какой она находится форме.
Собственно, существующий и очевидный для всех вечный двигатель, под названием гравитационные взаимодействия, тому образец и пример. На эти взаимодействия в «классическом» понимании энергия ниоткуда не берется, но тем не менее сила эта есть и она работу непрерывно и с неизменной силой, которой не становится больше или меньше, выполняет. Очевидный факт, который старательно не замечают.
Перечисленные «моменты» имеют значение только для разума современного человека. Ему их внедрили в образовательном процессе и теперь он этим думает. Это всё. Как вагон по рельсам.

Последний раз редактировалось 20 дней назад, - Bong
Роман Рыбкин
Роман Рыбкин
Гость
Ответить на  Bong
20 дней назад

Что касается двух моих предположений о «тёмной материи», то в первом случае речь идёт об этом как о «частицах» (где они «неправильные» с точки зрения известной нам материи, но всё же частицы и значит по идее квантуются. Плоские ли они или наоборот четырёхмерные, это математический вопрос.), а во втором варианте я выразил «дополнительный вес» (не массу, а вес) — с позиции природы волновой физики.

У барионной материи так-же есть квантово-волновой дуализм.

По этому, обе версии могут быть справедливы (или должны быть).

Bong
Участник
Ответить на  Роман Рыбкин
20 дней назад

Ну с квантуемостю таже история, что и с пространством и временем. Это лишь способ найти мерность, которая закроет дыры, образованные в математическом мире линейности, в котором доминируют линейные мерности «время» и «пространство», хотя в мире вещества нет ни того ни другого. Квант это тоже мерность. Ничего более. В природе вещества содержится фактор его изменчивости, а также способности в процессе изменчивости обосабливаться. Обосабливаясь в любую частицу микро или макро приобретает каким-то немыслимым образом специальные св-ва. Так что все «моменты» лишь способ хотя бы на что-то опереться в своих размышлениях (измышлизмах?). Человек попросту этим думает. Неплохо бы понимать почему человек думает именно… Подробнее »

Последний раз редактировалось 20 дней назад, - Bong
WaitAnswer
WaitAnswer
Гость
19 дней назад

Ну что, материалисты, не пора ли нам, как говорится, вдарить по главному вопросу философии? Конечно же я не призываю сразу бросаться из крайности в крайность. А просто предлагаю принять и рассмотреть гипотезу дуальности нашей вселенной. Речь идет о признании реальности духовно-нематериальной составляющей нашего мироздания.В качестве базового тезиса используем предположение о том, что в так называемом «основном вопросе философии» следует отказаться от первичности как материи, так и духа. Ровно точно так же, как вещество и поле являются двумя формами материи, материя и дух представляют из себя как бы «две стороны одной медали», две «равноправные» формы, в основе которых находится некая «дуальная… Подробнее »

Bong
Участник
Ответить на  WaitAnswer
19 дней назад

Человек взрослый в течении дня съедет еду, ну пусть будет всего 2 кг. 365*2=730, 730*10 лет=7300. Это семь тонн с половиной. Притом что чел обычный остается в пределах до 100 кг. При всем почтении, но не подскажите куда ему столько и куда это все девается? Полагаете, что все выходит исключительно с дефекацией? Не все? А остальное тогда куда и как? Человек не только светящееся существо, но и излучающее. Что и на какие расстояния? Излучает тоже на световых скоростях? Раз и.. уже его «поле излучения» в 300 т.км. от него, два и уже в 600 т.км, и т.д. притом что диаметр… Подробнее »

Cancer
Участник
Ответить на  WaitAnswer
18 дней назад

«С тёмной материей получился удивительный конфуз, учёные наткнулись на косвенное взаимодействие с той частью нашего бытия, само существование которой до сих пор наши науки игнорировали и оставляли вне сферы своего исследования. »
И как бедному учёному доказать другим, что темная материя это проявление духовного мира, а не материального? Даже, если учёный пришёл к такому выводу? Побросать свои телескопы и спектрометры и начать молиться? Медитировать? Ну так учёные-нематериалисты так и делают в дополнение к инструментальным исследованиям, но всё равно не знают, что такое ТМ. ☺️

Последний раз редактировалось 18 дней назад, - Cancer
WaitAnswer
WaitAnswer
Гость
Ответить на  Cancer
17 дней назад

Вот как раз вы и описали тот самый подход любого скептика, готового опустить руки по любому поводу. А давайте зайдём с другой стороны. Неужели когда Резерфорд проводя свои опыты с рассеянием электронов на атоме обладал знаниями по «ядерной физике»? Да её ещё тогда и не было, но получив какие-то результаты он стал придумывать теорию атома, да так чтобы его результаты хоть както совпадали с придуманной им теорией, так получилось строение атома по Резенфорду. Хотя существует большое количество и других теорий :    Капельная, Оболочечная, Обобщённая,  Кластерная, Модель нуклонных ассоциаций,  Оптическая,    Сверхтекучая,   Статистическая. Все эти теории имеют право на существование, т.к. в какой-то… Подробнее »

Back to top button