Как опытный геймер и путешественник в пространстве-времени, увлекающийся как квантовой физикой, так и астробиологией, я не могу не испытывать странное чувство товарищества с этими физиками в их поисках темной материи. Мысль о том, что мы все еще открываем строительные блоки нашей вселенной, так же воодушевляет, как выполнение эпического квеста в моей любимой MMO-игре.
После почти года поисков высокотехнологичный инструмент, похороненный глубоко в пещере Южной Дакоты, не обнаружил никаких признаков темной материи. По иронии судьбы, команда физиков очень воодушевлена этим.
В течение 280 дней я пытался обнаружить неуловимые частицы, известные как вимпы (слабо взаимодействующие массивные частицы), потенциальную форму темной материи. Однако после усердных наблюдений в составе команды Национальной лаборатории Лоуренса Беркли мы пока не обнаружили никаких признаков. Вместо того, чтобы чувствовать разочарование, мы рассматриваем это как позитивный шаг в наших поисках темной материи, поскольку, похоже, это сужает места, где могут скрываться эти вимпы. Конечно, это основано на нашем нынешнем понимании того, что включает в себя темная материя, что остается открытым вопросом.
Группа ученых под руководством Скотта Хазельшвардта с физического факультета Мичиганского университета и Эми Коттл с физического факультета Лондонского университетского колледжа недавно поделилась результатами своих исследований на конференции по астрофизике частиц ТэВ 2024, проходившей в Чикаго, и на конференции по обнаружению света в Нобле. Конференция Elements 2024 пройдет в Бразилии.
Дневник слабой частицы
Физический эксперимент LUX-ZEPLIN был построен для обнаружения слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) путем наблюдения за энергией и электронами, испускаемыми, когда проходящий мимо WIMP сталкивается с атомом ксенона. Хазельшвардт, Коттл и их команда поместили 10 тонн жидкого ксенона в подземную пещеру, расположенную в пересеченной местности Южной Дакоты, внутри конструкции, предназначенной для минимизации собственного излучения. Если темная материя состоит из вимпов, как предполагают ученые, и если их предположения о поведении вимпов верны, некоторые из этих неуловимых частиц должны быть способны проникать в окружающую породу и в конечном итоге сталкиваться с атомом ксенона, вызывая слабую световую вспышку и небольшой всплеск. электронов.
Высокотехнологичное оборудование находится в режиме ожидания, ожидая нужного момента, а сложные системы настроены на устранение любых ложных срабатываний. Однако до сих пор мы не стали свидетелями каких-либо происшествий.
Вимпы — это лишь одно из возможных объяснений темной материи: невидимого, невыразимого чего-то, которое, кажется, составляет большую часть фактической массы нашей Вселенной. Судя по тому, как вращаются галактики и по форме массивных нитей материи, составляющих большую структуру Вселенной, материя, которую мы видим, движется под гравитационным притяжением целого скопления материи, которую мы можем увидеть. не вижу. Кажется, гравитация — единственный способ взаимодействия этой невидимой материи с видимой Вселенной; она не поглощает и не отражает свет и не светится сама по себе (отсюда и «темная материя»).
Среди физиков существуют две фундаментальные теории относительно функционирования темной материи. Одна из них называется «горячей темной материей», где частицы движутся в пространстве со скоростью, близкой к скорости света, и вероятным кандидатом на роль этих частиц являются нейтрино. С другой стороны, существует теория «холодной темной материи», которая предполагает, что частицы движутся медленнее. Эта более медленно движущаяся категория может включать в себя различные варианты, такие как вимпы или аксионы, гипотетические частицы или даже группы черных дыр, некоторые из которых весят всего лишь скрепку.
В настоящее время наше понимание космоса предполагает, что преобладает холодная темная материя. Если эта темная материя действительно «холодная», это означает, что небольшие объекты постепенно сливаются и объединяются, образуя более крупные структуры и сущности; например, меньшие галактики могут сталкиваться и в конечном итоге сливаться в более крупные, которые, в свою очередь, могут группироваться вместе, образуя скопления галактик, как мы наблюдаем в реальной Вселенной. Недавно представленная карта темной материи, расположенная вдоль длинного космического пути, подтверждает эту теорию.
Однако наше нынешнее понимание не дает понимания природы материала, который мог бы представлять собой холодную темную материю. Гипотеза крошечных первичных черных дыр выделяется как самая интригующая и захватывающая, в то время как альтернативные теории предполагают существование еще неизвестных форм материи.
Если бы вимпы или аксионы действительно существовали, они представляли бы собой новую категорию фундаментальных частиц — фундаментальных единиц, из которых построена вся материя. В отличие от атомов, которые состоят из протонов, нейтронов и электронов, эти новые частицы не будут построены ни из чего другого; вместо этого они были бы элементарными. Протоны и нейтроны внутри атома, в свою очередь, состоят из еще более фундаментальных частиц, известных как кварки. Точно так же ни кварки, ни электроны не состоят из каких-либо других частиц; они тоже элементарны. Среди других фундаментальных частиц, признанных физиками, — мюоны и широко известный бозон Хиггса (всего существует примерно семнадцать типов таких частиц, и ученые продолжают исследовать, действительно ли некоторые из них, такие как вимпы, существуют за пределами теоретических моделей).
Аксионы — это гипотетические частицы, которые меньше и легче, чем слабо взаимодействующие массивные частицы (вимпы), и у них есть уникальная характеристика: они взаимодействуют с обычной материей не только посредством гравитации, но и посредством электромагнитной силы, которая ответственна за такие явления, как магнетизм. Напротив, предполагается, что вимпы тяжелее аксионов, и они могут взаимодействовать с обычной материей в первую очередь посредством гравитации и так называемого слабого взаимодействия — фундаментальной силы в физике, которая способна превращать кварки в различные типы кварков, таким образом изменяя протоны. в нейтроны.
Здесь нечего смотреть – еще?
Хазельшвардт, Коттл и их команда предполагают, что их оборудование и программное обеспечение для анализа должны быть достаточно чувствительными, чтобы определить, столкнулся ли какой-либо из их атомов ксенона с частицами примерно в девять раз тяжелее протона. Однако до сих пор… такого столкновения не обнаружено.
«По словам Чамкаура Гага, физика из Лондонского университета, представляющего LUX-ZEPLIN, если бы в исследуемой нами области присутствовали слабо взаимодействующие массивные частицы (ВИМП), мы могли бы с уверенностью заявить о них. Мы уверены, что наше оборудование способно и достаточно чувствительно, чтобы обнаружить их присутствие, если они существуют».
Исследователи полагают, что темная материя может состоять не из вимпов (например, нейтрино, аксионов или небольших черных дыр), а может быть, вимпы существуют, но они легче, чем примерно в девять раз больше массы протона. В течение следующих трех-четырех лет Хазельшвардт, Коттл и их команда планируют сосредоточить свои усилия на последнем варианте.
Подобно тому, как нам еще предстоит определить, является ли темная материя горячей или холодной, и существуют различные теории о составе холодной темной материи, существует также множество возможностей относительно того, на что могут быть похожи вимпы: они могут иметь разные массы, взаимодействовать с Вселенная по-разному и так далее. Как заявили Хазельшвардт, Коттл и их команда, они могут исключить некоторые возможности (менее массивные, чем 9 протонов) и вместо этого сосредоточиться на исследовании других.
Они намерены собрать дополнительные 720 дней данных с помощью LUX-ZEPLIN с настоящего момента до 2028 года. Кроме того, они создают новое программное обеспечение и методы анализа для потенциальной идентификации более мелких вимпов (если они существуют), сталкивающихся с атомами ксенона. Эти накопленные данные и расширенный период времени помогут определить, состоит ли темная материя из вимпов, крошечных черных дыр или чего-то еще, столь же загадочного.
Смотрите также
- Джон Стамос выразил поддержку Дэйву Кулиеру после того, как последнему поставили диагноз «рак»: «Через все это»
- Домоседы выбирают эти дешевые вещи, которые делают ваш дом намного лучше
- Trainspotting – стальная книга 4K UHD/BLU-RAY
- Слухи – ТРЕЙЛЕР
- Бриджит Джонс без ума от мальчика – ТРЕЙЛЕР
- Этот неистовый носорог «Гладиатор II» и дрожжевые бабуины…
- 55 странных и дешевых вещей, о которых вы не знали, которые сделают ваш дом намного лучше
- Климатологи утверждают, что пришло время планировать худшее потепление
- «Разница в этом…»: «Дюна»: звезды «Пророчества» Оливия Уильямс и Эмили Уотсон о сходстве сериала HBO с «Игрой престолов»
- Любитель – ТРЕЙЛЕР
2024-08-28 20:28