Nu am găsit dovezi ale particulei teoretice, dar merită să investigăm.
În ultimii ani, a apărut o particulă ipotetică curioasă numită axion, inventată pentru a aborda probleme provocatoare cu forța nucleară puternică, a apărut ca un candidat principal pentru a explica materia întunecată. Deși potențialul Axions pentru a explica materia întunecată a fost de aproximativ zeci de ani, cosmologii au început recent să le caute serios. Nu numai că ar putea să rezolve unele probleme cu ipoteze mai vechi despre materie întunecată, dar oferă și o gamă amețitoare de căi promițătoare pentru găsirea lor.
Dar înainte de a săpa în ceea ce ar putea fi axiunea și de ce este atât de util, trebuie să explorăm de ce marea majoritate a fizicienilor, astronomilor și cosmologilor acceptă dovezile că există materia întunecată și că este vorba de un nou tip de particule. Deși este ușor să respingem ipoteza de materie întunecată ca un fel de epiciclă modernă, realitatea este mult mai complexă (pentru a fi corectă pentru epicicluri, a fost o idee excelentă care se potrivește cu datele extrem de bine de mai multe secole).
Versiunea scurtă este că nu se adaugă nimic din univers.
Avem multe metode disponibile pentru a măsura masa obiectelor mari precum galaxii și clustere. De asemenea, avem diverse metode pentru a evalua efectele materiei în univers, cum ar fi detaliile fundalului cu microunde cosmice sau evoluția web -ului cosmic. Există două categorii largi: metode care se bazează exclusiv pe estimarea cantității de materie și metode care emite lumină care estimează cantitatea totală de materie, indiferent dacă este vizibilă sau nu.
De exemplu, dacă faceți o poză cu o galaxie generică, veți vedea că cea mai mare parte a materiei care emite lumină este concentrată în miez. Dar, atunci când măsurați rata de rotație a galaxiei și utilizați asta pentru a estima cantitatea totală de materie, obțineți un număr mult mai mare, plus câteva indicii pe care nu le suprapune perfect cu lucrurile care emit lumină. Același lucru se întâmplă și pentru grupurile de galaxii – dinamica galaxiilor din cadrul unui cluster sugerează prezența mult mai multă materie decât ceea ce putem vedea, iar cele două tipuri de materie nu se aliniază întotdeauna. Când folosim lentile gravitaționale pentru a măsura conținutul unui cluster, vedem din nou dovezi pentru mult mai multă materie decât este clar vizibilă.
Variațiile minuscule ale fundalului cu microunde cosmice ne spun despre influența ambelor materii care interacționează cu lumina și materia care nu. Arată clar că o anumită componentă invizibilă a dominat universul timpuriu. Când ne uităm la structura pe scară largă, materie invizibilă reglementează ziua. Materia care nu interacționează cu lumina poate forma structuri mult mai repede decât materia care se încurcă prin interacțiunea cu sine. Fără materie invizibilă, galaxii precum Calea Lactee nu se pot forma suficient de repede pentru a se potrivi cu observațiile universului timpuriu.
Calculele nucleozintezei Big Bang, care prezic în mod corect abundențele de hidrogen și heliu din univers, au pus constrângeri stricte asupra cât de multă materie care emite lumină poate exista, iar acest număr pur și simplu nu este suficient de mare pentru a găzdui toate aceste rezultate disparate.
Peste solzi cosmici în timp și spațiu, dovezile se acumulează: există mai multe lucruri acolo decât să îndeplinească ochiul și nu poate fi pur și simplu o materie slabă, dar în alt mod regulată.
Slăbiciunea Wimps
De când astronomul de pionierat Vera Rubin a dezvăluit pentru prima dată materii întunecate într -un mod mare în anii ’70, comunitatea astronomică a încercat fiecare idee la care s -ar putea gândi să explice aceste observații. O posibilitate tentantă este că materia întunecată este abordarea complet greșită; În schimb, înțelegem greșit gravitatea în sine. Dar până acum, jumătate de secol mai târziu, toate încercările de modificare a gravitației nu reușesc în cele din urmă un test de observație sau altul. De fapt, cea mai populară teorie a gravitației modificată, cunoscută sub numele de Mond, necesită încă existența materiei întunecate, doar mai puțin din ea.
Pe măsură ce dovezile s -au acumulat pentru materie întunecată în anii ’80 -’90, astronomii au început să favorizeze o explicație particulară cunoscută sub numele de Wimps, pentru particulele masive interacționate slab. Wimps nu au fost doar alcătuite la fața locului. Au fost motivați de fizica particulelor și de încercările noastre de a crea teorii dincolo de modelul standard. Multe extensii la modelul standard au prezis existența unor particule asemănătoare cu WIMP care ar putea fi făcute din abundență în universul timpuriu, generând o populație de particule grele care au rămas în mare parte în fondul cosmic.
Wimps părea o idee bună, deoarece amândoi ar putea explica problema materiei întunecate și ne -au adus la o nouă înțelegere a fizicii fundamentale. Ideea este că înotăm într -o mare invizibilă de particule de materie întunecată, care aproape întotdeauna pur și simplu trec prin noi nedetectați. Dar, din când în când, un WIMP ar trebui să interacționeze prin forța nucleară slabă (de aici originea numelui său) și să dea un duș de produse secundare. O problemă: trebuia să detectăm una dintre aceste interacțiuni rare. Așa că experimentele au apărut în întreaga lume pentru a prinde un candidat evaziv de materie întunecată.
Cu nume uimitoare precum Crest, Snolab și Xenon, aceste experimente au petrecut ani întregi căutând un wimp în niciun caz. Cu toate acestea, nu sunt un eșec direct; În schimb, cu fiecare an care trece, știm din ce în ce mai multe despre ce nu poate fi WIMP – ce intervale de masă și punctele forte de interacțiune sunt acum excluse.
Până acum, acea listă a ceea ce nu poate fi WIMP este destul de lungă, iar regiunile mari din spațiul posibilităților sunt acum excluse.
OK, e în regulă. Adică, este un uriaș că prima noastră presupunere a noastră nu a ieșit, dar natura nu are nicio obligație de a ne face acest lucru ușor. Poate că materia întunecată nu este deloc un wimp.
Mai multe entități stau în jurul mansardei de fizică a particulelor pe care am putea să o folosim pentru a explica acest mister cosmic profund. Iar una dintre aceste particule ipotetice se numește axion.
Curățarea cu axe
Era sfârșitul anilor ’70, iar fizicianul Frank Wilczek făcea cumpărături pentru detergent pentru rufe. El a găsit un brand în evidență printre sticle: Axion. El a crezut că va face un nume excelent pentru o particulă.
Avea dreptate.
De zeci de ani, fizicienii au fost tulburați de un mic detaliu al teoriei folosite pentru a explica forța nucleară puternică, cunoscută sub numele de cromodinamică cuantică. Prin toate măsurătorile, această forță se supune simetriei de partide de sarcină, ceea ce înseamnă că dacă luați o interacțiune, aruncați toate sarcinile în jurul și rulați-o într-o oglindă, veți obține același rezultat. Dar cromodinamica cuantică nu aplică de unul singur această simetrie.
Părea să fie o stare de lucruri destul de fină, cu forța puternică menținând în mod nefiresc o simetrie atunci când nu exista nimic în teorie care să explice de ce.
În 1977, Roberto Peccei și Helen Quinn au descoperit o soluție elegantă. Prin introducerea unui nou câmp în univers, acesta ar putea introduce în mod natural simetrie de partiri de sarcină în ecuațiile cromodinamicii cuantice. Anul următor, Wilczek și Gerard ‘T Hooft și -au dat seama în mod independent că acest nou câmp ar implica existența unei particule.
Axionul.
Dark Matter tocmai venea pe scena cosmică. Axions nu au fost inventați pentru a rezolva această problemă, dar fizicienii și -au dat seama foarte repede că fizica complexă a universului timpuriu ar putea inunda absolut cosmosul cu axii. Mai mult, ei ar ignora în mare măsură materia obișnuită și ar sta liniștit în fundal. Cu alte cuvinte, axiunea a fost un excelent candidat la materie întunecată.
Dar axile au fost împinse deoparte, deoarece ipoteza Wimps a obținut mai mult abur. Calculele din spate-enod au arătat că gama de masă naturală a WIMP se va potrivi cu exactitate cu abundențele necesare pentru a explica cantitatea de materie întunecată din univers, fără a fi necesare alte reglaje fine sau ajustări.
Niciodată să nu -i lase pe cosmologi să ajungă pe calea unui timp bun, comunitatea de fizică a particulelor a menținut interesul pentru axion, găsind diferite variații asupra particulelor și conceperea experimentelor inteligente pentru a vedea dacă există axionul. Un experiment nu necesită altceva decât un magnet gigantic, deoarece, într -un câmp magnetic extrem de puternic, axionii se pot transforma spontan în fotoni.
Până în prezent, nu au apărut nicio dovadă grea pentru axion. Dar Wimps s -au dovedit a fi evazive, astfel încât cosmologii arată mai multă dragoste față de axion și identifică modalități surprinzătoare prin care ar putea fi găsite.
Un univers sloshy
Axile sunt minuscule, chiar și pentru particule subatomice. Cea mai ușoară particulă cunoscută este neutrino, care cântărește nu mai mult de 0,086 electron-volți (sau EV). Comparați asta cu, să spunem, electronul, care cântărește peste o jumătate de milion de eV. Masa exactă a axionului nu este cunoscută și există multe modele și versiuni ale particulei, dar poate avea o masă până la o trilionime de EV … și chiar mai mică.
De fapt, axiile aparțin unei clase mult mai largi de candidați de particule de materie întunecată „ultra-ușoară”, care pot avea mase până la 10^-24 eV. Aceasta este de mai multe miliarde de ori mai ușoară decât WIMP -urile – și într -adevăr majoritatea particulelor modelului standard.
Asta înseamnă că Axions și prietenii lor nu acționează nimic ca majoritatea particulelor modelului standard.
În primul rând, este posibil să nu fie chiar adecvat să le referi la ele ca particule. Au o masă atât de mică încât lungimea lor de undă de Broglie – dimensiunea undei cuantice asociate cu fiecare particulă – se poate întinde în proporții macroscopice. În unele cazuri, această lungime de undă poate fi de câțiva metri. În altele, este comparabil cu o stea sau un sistem solar. În altele, o singură „particulă” axion se poate întinde pe o întreagă galaxie.
În această privință, particulele de axion individuale ar fi subsumate într -o undă cuantică mai mare, ca un ocean de materie întunecată atât de mare și vast încât nu are sens să vorbim despre componentele sale individuale.
Și pentru că axile sunt bosoni, își pot sincroniza natura undelor cuantice, devenind o stare distinctă de materie: un condens Bose-Einstein. Într-un condens Bose-Einstein, majoritatea particulelor au aceeași stare de energie scăzută. Când se întâmplă acest lucru, lungimea de undă de Broglie este mai mare decât separarea medie între particule, iar undele particulelor individuale se adaugă împreună, creând, în esență, o super-particulă.
În acest fel, s -ar putea să obținem „stele” axion – clump -uri de axii care acționează ca o singură particulă. Unele dintre aceste stele axion pot fi de câteva mii de kilometri, rătăcind pe spațiul interstelar. Altele pot fi dimensiunea miezurilor galactice, ceea ce ar putea explica o problemă cu imaginea tradițională WIMP.
Cea mai bună descriere a materiei întunecate, în general, este că este „rece”, ceea ce înseamnă că particulele individuale nu se mișcă rapid în comparație cu viteza luminii. Acest lucru le permite să interacționeze gravitațional și să formeze semințele structurilor precum galaxii și clustere. Dar acest proces este un pic prea eficient. Conform simulărilor, materia întunecată rece tinde să formeze mai multe aglomerații sub-galactice decât noi observăm și tinde să facă nucleele de galaxii mult, mult mai dens decât vedem.
Axioanele, și materiile întunecate ultra-ușoare, în general, pot oferi o soluție aici, deoarece ar funcționa în două moduri. La scări mari, ei pot acționa ca o materie întunecată regulată. Dar în interiorul galaxiilor, se pot condensa, formând aglomerații strânse. În mod critic, aceste aglomerații au densități uniforme în ele. Acest lucru netezește distribuția axiilor în galaxii, împiedicând formarea de aglomerații mai mici și nuclee ultra-dense.
O aventură dezordonată
De -a lungul deceniilor, astronomii și fizicienii au găsit o varietate uluitoare de moduri prin care axiile le -ar putea dezvălui prezența în univers. Datorită capacității lor curioase de a transmuta în fotoni în prezența unor câmpuri magnetice puternice, orice loc care prezintă câmpuri puternice – gândiți stelele de neutroni sau chiar corona solară – ar putea produce radiații suplimentare din cauza axiilor. Acest lucru le face terenuri excelente de vânătoare pentru particule.
Stelele axionice – uneori cunoscute provocativ ca stele întunecate – ar fi toate invizibile în majoritatea circumstanțelor. Adică până când se destabilizează într-o reacție în lanț în cascadă a conversiei axion-la-fotoni și se aruncă în aer.
Chiar și lumina din galaxiile îndepărtate ar putea trăda existența axiilor. Dacă există într -un roi dens în jurul unei galaxii, conversia lor în fotoni va contribui la lumina Galaxy, creând un semnal pe care telescopul spațial James Webb îl poate ridica.
Până în prezent, în ciuda tuturor acestor idei, nu a existat un singur shre D de dovezi solide pentru existența axiilor, care le aruncă în mod natural pe o pilă sau două pe scala de credibilitate. Dar asta nu înseamnă că Axions nu merită investigat în continuare. Experimentele efectuate până acum pun limite doar asupra proprietăților pe care le -ar putea avea; Există încă o mulțime de loc pentru candidați viabili axi și axiuni, spre deosebire de verii lor wimpy.
Cu siguranță se întâmplă ceva amuzant cu universul. Ipoteza materiei întunecate – că există o componentă mare, invizibilă, care să conteze în univers – nu este chiar o idee, dar este cea mai bună pe care o avem care se potrivește cu cea mai largă cantitate de dovezi disponibile. O vreme, ne -am gândit că știm care ar fi identitatea acestei chestiuni și am petrecut zeci de ani (și mici averi) în acea căutare.
Dar, în timp ce Wimps a fost ipoteza principală, aceasta nu a scos căi alternative. Zeci de cercetători au investigat forme de gravitate modificate la niveluri egale de nereușitate. Și un mic cadru a menținut viu flacăra axiunii. De asemenea, este un lucru bun, deoarece explorările lor obscure ale colțurilor fizicii particulelor au pus bazele pentru a -și înlătura axile într -un concurent viabil la wimps.
Nu, nu am găsit axiuni. Și încă nu știm care este problema întunecată. Dar numai prin împingerea înainte – avansând idei noi, testarea lor împotriva realității observațiilor și, atunci când nu reușesc, încercând din nou – vom ajunge la o nouă înțelegere. Axile pot fi sau nu o materie întunecată; Cel mai bun lucru pe care îl putem spune este că sunt promițători. Dar cine nu ar dori să trăiască într-un univers plin de stele întunecate, condensate invizibile Bose-Einstein și particule noi ciudate?
Comentarii recente