Hvad er mørkt stof? Bare om de komplicerede ting: hvad er mørkt stof, og hvor skal man lede efter det

En teoretisk konstruktion i fysik kaldet Standardmodellen beskriver samspillet mellem alle kendt af videnskaben elementære partikler. Men dette er kun 5% af det stof, der eksisterer i universet, de resterende 95% har absolut ukendt natur. Hvad er dette hypotetiske mørke stof, og hvordan forsøger videnskabsmænd at opdage det? Hayk Hakobyan, en MIPT-studerende og ansat ved Institut for Fysik og Astrofysik, fortæller om dette som en del af et særligt projekt.

Standardmodellen for elementarpartikler, som endelig blev bekræftet efter opdagelsen af ​​Higgs-bosonen, beskriver de grundlæggende vekselvirkninger (elektrosvage og stærke) mellem de almindelige partikler, vi kender: leptoner, kvarker og kraftbærere (bosoner og gluoner). Det viser sig dog, at hele denne enorme komplekse teori kun beskriver omkring 5-6% af alt stof, mens resten ikke passer ind i denne model. Observationer af de tidligste øjeblikke af vores univers viser os, at cirka 95 % af det stof, der omgiver os, er af en fuldstændig ukendt natur. Med andre ord ser vi indirekte tilstedeværelsen af ​​dette skjulte stof på grund af dets gravitationspåvirkning, men vi har endnu ikke været i stand til at fange det direkte. Dette skjulte massefænomen er kodenavnet "mørk stof".

Moderne videnskab, især kosmologi, arbejder efter Sherlock Holmes deduktive metode

Nu er hovedkandidaten fra WISP-gruppen axionen, som opstår i teorien om den stærke interaktion og har en meget lille masse. Sådan en partikel er i stand til at blive til et foton-foton-par i høje magnetiske felter, hvilket giver hints om, hvordan man kan forsøge at detektere den. ADMX-eksperimentet bruger store kamre, der skaber et magnetfelt på 80.000 gauss (det er 100.000 gange mere magnetfelt Jorden). I teorien skulle et sådant felt stimulere henfaldet af en axion til et foton-foton-par, som detektorer skulle fange. På trods af adskillige forsøg har det endnu ikke været muligt at opdage WIMP'er, aksioner eller sterile neutrinoer.

Således har vi rejst gennem et stort antal forskellige hypoteser, hvor vi forsøger at forklare den skjulte masses mærkelige tilstedeværelse, og efter at have afvist alle umulighederne ved hjælp af observationer, er vi nået frem til flere mulige hypoteser, som vi allerede kan arbejde med.

Et negativt resultat i videnskaben er også et resultat, da det giver begrænsninger på forskellige parametre for partikler, for eksempel eliminerer det rækken af ​​mulige masser. Fra år til år giver flere og flere nye observationer og eksperimenter med acceleratorer nye, strengere restriktioner på massen og andre parametre for mørkt stofpartikler. Ved at smide alle de umulige muligheder ud og indsnævre cirklen af ​​søgninger, bliver vi dag for dag tættere på at forstå, hvad 95% af stoffet i vores univers består af.

I artiklerne i serien undersøgte vi strukturen af ​​det synlige univers. Vi talte om dens struktur og de partikler, der danner denne struktur. Om nukleoner, der spiller hovedrolle, da det er fra dem, alt synligt stof består. Om fotoner, elektroner, neutrinoer og også om de biroller, der er involveret i det universelle spil, der udspiller sig 14 milliarder år efter Big Bang. Det ser ud til, at der ikke er mere at tale om. Men det er ikke sandt. Faktum er, at det stof, vi ser, kun er en lille del af, hvad vores verden består af. Alt andet er noget, vi næsten intet ved om. Dette mystiske "noget" kaldes mørkt stof.

Hvis skyggerne af objekter ikke afhang af størrelsen af ​​disse sidstnævnte,
og hvis de havde deres egen vilkårlige vækst, så måske
snart ville der slet ikke være nogen tilbage globus ikke et eneste lyst sted.

Kozma Prutkov

Hvad vil der ske med vores verden?

Efter Edward Hubbles opdagelse af rødforskydninger i spektre af fjerne galakser i 1929, blev det klart, at universet udvidede sig. Et af de spørgsmål, der rejste sig i den forbindelse, var følgende: Hvor længe vil udvidelsen vare, og hvordan ender den? Tyngdekraftens tiltrækningskræfter, der virker mellem individuelle dele af universet, har en tendens til at bremse tilbagetrækningen af ​​disse dele. Hvad opbremsningen vil føre til afhænger af universets samlede masse. Hvis den er stor nok, vil gravitationskræfter gradvist standse udvidelsen, og den vil blive erstattet af kompression. Som et resultat vil universet til sidst "kollapse" igen til det punkt, hvorfra det engang begyndte at udvide sig. Hvis massen er mindre end en vis kritisk masse, vil udvidelsen fortsætte for evigt. Det er sædvanligvis kutyme ikke at tale om masse, men om massefylde, som er relateret til masse ved et simpelt forhold, kendt fra skoleforløb: Massefylde er masse divideret med volumen.

Den beregnede værdi af universets kritiske gennemsnitlige tæthed er cirka 10 -29 gram per kubikcentimeter, hvilket svarer til et gennemsnit på fem nukleoner per kubikmeter. Det skal understreges vi taler om specifikt om gennemsnitlig tæthed. Den karakteristiske koncentration af nukleoner i vand, jord og i dig og mig er omkring 10 30 pr. kubikmeter. Men i tomrummet, der adskiller klynger af galakser og optager brorparten af ​​universets volumen, er tætheden snesevis af størrelsesordener lavere. Værdien af ​​nukleonkoncentrationen, i gennemsnit over hele universets volumen, blev målt titusinder og hundredvis af gange, idet man omhyggeligt talte antallet af stjerner og gas- og støvskyer ved hjælp af forskellige metoder. Resultaterne af sådanne målinger adskiller sig noget, men den kvalitative konklusion er uændret: universets tæthed når knap et par procent af den kritiske værdi.

Derfor var den almindeligt accepterede prognose indtil 70'erne af det 20. århundrede den evige udvidelse af vores verden, som uundgåeligt skulle føre til den såkaldte varmedød. Varmedød er en tilstand af et system, når stoffet i det er fordelt jævnt, og dets forskellige dele har samme temperatur. Som en konsekvens heraf er hverken overførsel af energi fra en del af systemet til en anden eller omfordeling af stof mulig. I et sådant system sker intet og kan aldrig ske igen. En klar analogi er vand spildt på enhver overflade. Hvis overfladen er ujævn, og der er endda små højdeforskelle, bevæger vandet sig langs den fra højere til lavere steder og samler sig til sidst i lavlandet og danner vandpytter. Bevægelsen stopper. Den eneste trøst, der var tilbage, var, at varmedød ville indtræffe om titusinder og hundreder af milliarder af år. Derfor behøver du ikke tænke på denne dystre udsigt i meget, meget lang tid.

Det blev dog efterhånden klart, at universets sande masse er meget større end den synlige masse indeholdt i stjerner og gas- og støvskyer og højst sandsynligt er tæt på kritisk. Eller måske helt lige med det.

Beviser for mørkt stof

Den første indikation af, at noget var galt med beregningen af ​​universets masse, dukkede op i midten af ​​30'erne af det 20. århundrede. Den schweiziske astronom Fritz Zwicky målte de hastigheder, hvormed galakser i Coma-hoben (en af ​​de største hobe, vi kender, den omfatter tusindvis af galakser) bevæger sig rundt i et fælles center. Resultatet var nedslående: Galaksernes hastigheder viste sig at være meget større, end man kunne forvente baseret på den observerede samlede masse af hoben. Dette betød, at den sande masse af Coma-klyngen var meget større end den tilsyneladende masse. Men den største mængde stof, der er til stede i denne region af universet, forbliver af en eller anden grund usynlig og utilgængelig for direkte observationer, og manifesterer sig kun gravitationelt, det vil sige kun som masse.

Tilstedeværelsen af ​​skjult masse i galaksehobe er også bevist af eksperimenter med den såkaldte gravitationslinse. Forklaringen på dette fænomen følger af relativitetsteorien. I overensstemmelse med den deformerer enhver masse rummet og forvrænger ligesom en linse lysstrålernes retlinede vej. Den forvrængning, som galaksehobe forårsager, er så stor, at den er let at bemærke. Især ud fra forvrængningen af ​​billedet af galaksen, der ligger bag klyngen, er det muligt at beregne fordelingen af ​​stof i linsehoben og derved måle dens samlede masse. Og det viser sig, at det altid er mange gange større end bidraget fra klyngens synlige stof.

40 år efter Zwickys arbejde, i 70'erne, studerede den amerikanske astronom Vera Rubin rotationshastigheden omkring det galaktiske centrum af stof, der ligger i periferien af ​​galakser. I overensstemmelse med Keplers love (og de følger direkte af loven universel tyngdekraft), når man bevæger sig fra centrum af galaksen til dens periferi, bør rotationshastigheden af ​​galaktiske objekter falde i omvendt proportion til kvadrat rod fra afstand til centrum. Målinger har vist, at for mange galakser forbliver denne hastighed næsten konstant i en meget betydelig afstand fra centrum. Disse resultater kan kun fortolkes på én måde: tætheden af ​​stof i sådanne galakser falder ikke, når de bevæger sig fra midten, men forbliver næsten uændret. Da tætheden af ​​synligt stof (indeholdt i stjerner og interstellar gas) hurtigt falder mod periferien af ​​galaksen, skal den manglende tæthed tilføres af noget, som vi af en eller anden grund ikke kan se. For kvantitativt at forklare rotationshastighedens observerede afhængighed af afstanden til centrum af galakser, kræves det, at dette usynlige "noget" er cirka 10 gange større end almindeligt synligt stof. Dette "noget" blev kaldt "dark matter" (på engelsk " mørkt stof") og er stadig det mest spændende mysterium inden for astrofysik.

Et andet vigtigt bevis for tilstedeværelsen af ​​mørkt stof i vores verden kommer fra beregninger, der simulerer processen med galaksedannelse, der begyndte omkring 300.000 år efter Big Bang. Disse beregninger viser, at tyngdekraftens tiltrækningskræfter, der virkede mellem de flyvende fragmenter af stoffet genereret under eksplosionen, ikke kunne kompensere kinetisk energi spredning Sagen burde simpelthen ikke have samlet sig i galakser, som vi alligevel observerer i moderne æra. Dette problem kaldes det galaktiske paradoks, og i lang tid det blev betragtet som et seriøst argument mod Big Bang-teorien. Men hvis vi antager, at partikler af almindeligt stof i det tidlige univers var blandet med partikler af usynligt mørkt stof, så falder alt på plads i beregningerne, og enderne begynder at mødes - dannelsen af ​​galakser fra stjerner og derefter galaksehobe. , bliver muligt. På samme tid, som beregninger viser, akkumuleredes der først et stort antal mørkt stofpartikler i galakser, og først derefter, på grund af gravitationskræfter, samledes elementer af almindeligt stof på dem, totalvægt som kun udgjorde nogle få procent af universets samlede masse. Det viser sig, at det velkendte og, ser det ud til, studeret til detaljer synlig verden, som vi først for nylig troede var næsten forstået, er kun en lille tilføjelse til noget, som Universet faktisk består af. Planeter, stjerner, galakser og dig og mig er blot en skærm for et kæmpe "noget", som vi ikke har den mindste idé om.

Foto fakta

Galaksehoben (nederst til venstre i det omkredsede område) skaber en gravitationslinse. Det forvrænger formen af ​​objekter, der er placeret bag linsen - strækker deres billeder i én retning. På baggrund af strækningens størrelse og retning konstruerede en international gruppe astronomer fra det sydeuropæiske observatorium, ledet af forskere fra Paris Institute of Astrophysics, en massefordeling, som er vist på det nederste billede. Som du kan se, indeholder klyngen meget mere masse, end man kan se gennem et teleskop.

At jage mørke, massive objekter er en langsom proces, og resultaterne ser ikke de mest imponerende ud på fotografier. I 1995 bemærkede Hubble-teleskopet, at en af ​​stjernerne i den store magellanske sky blinkede lysere. Denne glød varede i tre sekunder. ekstra måned, men så vendte stjernen tilbage til sin naturlige tilstand. Og seks år senere, ved siden af ​​stjernen, dukkede nogle knapt op glødende objekt. Det var en kold dværg, der passerede i en afstand af 600 lysår fra stjernen, skabte en gravitationslinse, der forstærkede lyset. Beregninger har vist, at massen af ​​denne dværg kun er 5-10 % af Solens masse.

Endelig forbinder den generelle relativitetsteori utvetydigt universets ekspansionshastighed med den gennemsnitlige tæthed af stoffet indeholdt i det. Hvis man antager, at rummets gennemsnitlige krumning er nul, det vil sige Euklids geometri og ikke Lobachevsky opererer i det (hvilket er blevet pålideligt verificeret, for eksempel i eksperimenter med kosmisk mikrobølgebaggrundsstråling), bør denne tæthed være lig med 10 - 29 gram per kubikcentimeter. Densiteten af ​​synligt stof er cirka 20 gange mindre. De manglende 95 % af universets masse er mørkt stof. Bemærk, at tæthedsværdien målt fra universets ekspansionshastighed er lig med den kritiske værdi. To værdier, uafhængigt beregnet fuldstændigt forskellige veje, faldt sammen! Hvis universets tæthed faktisk er nøjagtigt lig med den kritiske tæthed, kan dette ikke være en tilfældighed, men er en konsekvens af en eller anden grundlæggende egenskab i vores verden, som endnu ikke er forstået og forstået.

Hvad er dette?

Hvad ved vi i dag om mørkt stof, som udgør 95 % af universets masse? Næsten ingenting. Men vi ved stadig noget. Først og fremmest er der ingen tvivl om, at mørkt stof eksisterer - dette er uigendriveligt bevist af fakta givet ovenfor. Vi ved også med sikkerhed, at mørkt stof findes i flere former. Efter til begyndelsen af ​​XXIårhundreder som resultat af mange års observationer i eksperimenter SuperKamiokande(Japan) og SNO (Canada) blev det fastslået, at neutrinoer har masse, blev det klart, at fra 0,3% til 3% af de 95% af den skjulte masse ligger i neutrinoer, der længe har været kendte for os - også selvom deres masse er ekstremt lille, men deres mængde er i Universet har omkring en milliard gange antallet af nukleoner: hver kubikcentimeter indeholder i gennemsnit 300 neutrinoer. De resterende 92-95% består af to dele - mørkt stof og mørk energi. En lille brøkdel af mørkt stof er almindeligt baryonisk stof, bygget af nukleoner, resten står tilsyneladende for nogle ukendte massive, svagt interagerende partikler (det såkaldte kolde mørke stof). Energibalance i moderne univers er præsenteret i tabellen, og historien om de sidste tre kolonner er nedenfor.

Baryonisk mørkt stof

En lille (4-5 %) del af mørkt stof er almindeligt stof, der udsender lidt eller ingen egen stråling og derfor er usynligt. Eksistensen af ​​flere klasser af sådanne objekter kan betragtes som eksperimentelt bekræftet. De mest komplekse eksperimenter, baseret på den samme gravitationslinser, førte til opdagelsen af ​​såkaldte massive kompakte halo-objekter, det vil sige placeret i periferien af ​​galaktiske skiver. Dette krævede overvågning af millioner af fjerne galakser over flere år. Når et mørkt, massivt legeme passerer mellem en observatør og en fjern galakse, falder dens lysstyrke kort tid falder (eller øges, da det mørke legeme fungerer som en gravitationslinse). Som et resultat af omhyggelige eftersøgninger blev sådanne hændelser identificeret. Naturen af ​​massive kompakte halo-objekter er ikke helt klar. Mest sandsynligt er disse enten afkølede stjerner (brune dværge) eller planetlignende objekter, der ikke er forbundet med stjerner og rejser rundt i galaksen på egen hånd. En anden repræsentant for baryonisk mørkt stof er varm gas, der for nylig blev opdaget i galaksehobe ved hjælp af røntgenastronomimetoder, som ikke lyser i det synlige område.

Ikke-baryonisk mørkt stof

De vigtigste kandidater til ikke-baryonisk mørkt stof er de såkaldte WIMP'er (forkortelse for engelsk Svagt interaktive massive partikler- svagt interagerende massive partikler). Det særlige ved WIMP'er er, at de næsten ikke viser nogen interaktion med almindeligt stof. Det er derfor, de er det virkelige usynlige mørke stof, og derfor er de ekstremt svære at opdage. Massen af ​​WIMP skal være mindst ti gange større end massen af ​​en proton. Eftersøgningen af ​​WIMP'er er blevet udført i mange forsøg gennem de sidste 20-30 år, men trods alle anstrengelser er de endnu ikke blevet opdaget.

En idé er, at hvis sådanne partikler eksisterer, så burde Jorden, når den kredser om Solen med Solen omkring det galaktiske centrum, flyve gennem en regn af WIMP'er. På trods af at WIMP er en ekstremt svagt interagerende partikel, har den stadig en meget lille sandsynlighed for at interagere med et almindeligt atom. Samtidig kan der i specielle installationer - meget komplekse og dyre - optages et signal. Antallet af sådanne signaler bør ændre sig i løbet af året, fordi når Jorden bevæger sig i kredsløb om Solen, ændrer den sin hastighed og retning i forhold til vinden, som består af WIMP'er. DAMA-eksperimentgruppen, der arbejder ved Italiens Gran Sasso underjordiske laboratorium, rapporterer observerede variationer fra år til år i signaltællerhastigheder. Andre grupper har dog endnu ikke bekræftet disse resultater, og spørgsmålet forbliver stort set åbent.

En anden metode til at søge efter WIMP'er er baseret på den antagelse, at i løbet af milliarder af år af deres eksistens, skulle forskellige astronomiske objekter (Jorden, Solen, midten af ​​vores galakse) fange WIMP'er, som akkumuleres i midten af ​​disse objekter, og tilintetgøre hinanden, giver anledning til en neutrinostrøm . Forsøg på at detektere overskydende neutrinoflux fra Jordens centrum mod Solen og Galaksens centrum blev udført på underjordiske og undervandsneutrinodetektorer MACRO, LVD (Gran Sasso Laboratory), NT-200 (Baikalsøen, Rusland), SuperKamiokande, AMANDA (Scott Station -Amundsen, Sydpolen), men har endnu ikke ført til et positivt resultat.

Eksperimenter for at søge efter WIMP'er udføres også aktivt ved partikelacceleratorer. I overensstemmelse med Einsteins berømte ligning E=mс 2 svarer energi til masse. Derfor kan man ved at accelerere en partikel (for eksempel en proton) til en meget høj energi og kollidere den med en anden partikel forvente, at der dannes par af andre partikler og antipartikler (inklusive WIMP'er), hvis samlede masse er lig med den samlede energi af de kolliderende partikler. Men acceleratorforsøg har endnu ikke ført til et positivt resultat.

Mørk energi

I begyndelsen af ​​forrige århundrede indførte Albert Einstein, der ville sikre uafhængighed af tiden for den kosmologiske model i den generelle relativitetsteori, den såkaldte kosmologiske konstant i teoriens ligninger, som han betegnede. græsk bogstav"lambda" - Λ. Dette Λ var en rent formel konstant, hvor Einstein selv ikke så nogen fysisk mening. Efter at universets udvidelse blev opdaget, forsvandt behovet for det. Einstein fortrød meget sit hastværk og kaldte den kosmologiske konstant for sin største videnskabelige fejl. Men årtier senere viste det sig, at Hubble-konstanten, som bestemmer universets ekspansionshastighed, ændrer sig med tiden, og dens afhængighed af tid kan forklares ved at vælge værdien af ​​den meget "fejlagtige" Einstein-konstant Λ, som bidrager til universets skjulte tæthed. Denne del af den skjulte masse kom til at blive kaldt "mørk energi".

Endnu mindre kan siges om mørk energi end om mørkt stof. For det første er det jævnt fordelt over hele universet, i modsætning til almindeligt stof og andre former for mørkt stof. Der er lige så meget af det i galakser og galaksehobe som uden for dem. For det andet har den flere meget mærkelige egenskaber, som kun kan forstås ved at analysere relativitetsteoriens ligninger og fortolke deres løsninger. For eksempel oplever mørk energi antityngdekraft: på grund af dens tilstedeværelse øges universets ekspansionshastighed. Mørk energi ser ud til at skubbe sig selv væk og fremskynde spredningen af ​​almindeligt stof opsamlet i galakser. Mørk energi har også undertryk, hvorved der opstår en kraft i stoffet, som forhindrer det i at strække sig.

Hovedkandidaten for mørk energi er vakuum. Vakuumenergitætheden ændres ikke, når universet udvider sig, hvilket svarer til undertryk. En anden kandidat er et hypotetisk supersvagt felt, kaldet kvintessens. Håb om at afklare den mørke energis natur er primært forbundet med nye astronomiske observationer. Fremskridt i denne retning vil utvivlsomt bringe radikalt ny viden til menneskeheden, da mørk energi under alle omstændigheder må være et helt usædvanligt stof, helt anderledes end hvad fysikken hidtil har beskæftiget sig med.

Så 95% af vores verden består af noget, som vi næsten intet ved om. Man kan have forskellige holdninger til sådan et faktum, der er hævet over enhver tvivl. Det kan give angst, som altid følger med et møde med noget ukendt. Eller skuffelse fordi sådan en lang og svær vej konstruktionen af ​​en fysisk teori, der beskriver egenskaberne i vores verden, førte til udsagnet: det meste af universet er skjult for os og ukendt for os.

Men de fleste fysikere føler sig nu opmuntrede. Erfaring viser, at alle de gåder, som naturen stillede menneskeheden til grund, før eller siden blev løst. Uden tvivl vil mysteriet med mørkt stof også blive løst. Og det vil helt sikkert bringe helt ny viden og koncepter, som vi endnu ikke aner. Og måske møder vi nye mysterier, som til gengæld også bliver løst. Men det bliver en helt anden historie, som læsere af "Kemi og liv" først vil kunne læse nogle år senere. Eller måske om et par årtier.

• 1314 7
• kilde: www.vesti.ru

11. februar repræsentanter internationalt projekt Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) annoncerede den første nogensinde detektion af gravitationsbølger.

Det menes det mørk energi er Drivkraft, som sikrer universets konstante udvidelse. I dette tilfælde kan observation af flere sorte hul-fusioner antyde deres natur. Signalparametre som bølgefrekvens og amplitude fortæller meget om deres kilde. Og ved at sammenligne styrken af ​​kollisionen, bestemt ved hjælp af konventionelle teleskoper, med kraften af ​​gravitationssvingninger målt af detektorer, er det muligt at bestemme, hvor langt hændelsen fandt sted, og hvor meget plads udvidede sig, mens bølgerne fløj mod Jorden.

"Denne måling af effekten af ​​mørk energi burde være stærkere og mere pålidelig end noget, vi bruger i øjeblikket," siger astrofysiker Avi Loeb fra Harvard University "Observationer af blot et par sorte huls fusioner kan ændre alt, og hvis der er dusinvis af dem , vil dette blive en ny retning inden for kosmologi."

Opdagelsen af ​​gravitationsbølger kunne være en stor test for Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Når alt kommer til alt, med deres hjælp kan du bekræfte eller afkræfte det grundlæggende princip teori om ækvivalens af gravitations- og inertikræfter, hvoraf det følger, at tyngdekraftens vekselvirkning er proportional med kroppens masse og påvirker alle masser (krop forskellige masser) det samme.

Forskere kan nu bestemme, hvordan styrken af ​​gravitationsbølger falder, når de rejser over lange afstande. Og hvis kraften ikke falder, som modellerne forudsiger, vil det udgøre en alvorlig udfordring for en af ​​fysikkens grundlæggende teorier.

En anden retning, som videnskaben kan gå videre i takket være den seneste opdagelse, er søgen efter spor af det såkaldte kosmisk inflation. Ifølge den inflationære kosmologiske model, kort efter Big Bang, udvidede universet sig meget hurtigere end i den varme standardmodel.

Hvis der efter succesen med LIGO-projektet dukker nye, endnu mere følsomme gravitationsdetektorer op rundt om i verden, kan de muligvis opdage kortere bølger, der opstod i perioden med øget udvidelse af det unge univers. Ifølge teorien var rummet på det tidspunkt uigennemtrængeligt for lys og elektromagnetisk stråling, så gravitationsudsving kan være de eneste "vidner" til denne periode.

"Vi kunne potentielt spore næsten helt tilbage til Big Bang," siger Dejan Stojkovic fra New York University "LIGO vil ikke være i stand til at fornemme sådanne vibrationer, men nu hvor vi ved, at bølgerne eksisterer, vil det være meget lettere. at overbevise folk om at investere penge i at skabe andre typer detektorer."

Endelig kan gravitationsbølger være den længe ventede nøgle til Store foreningsteorier, hvilket tyder på, at på det tidlige stadie af universets udvikling blev alle fire grundlæggende kræfter - gravitationelle, elektromagnetiske, stærke og svage vekselvirkninger - kombineret til én kraft. Da universet udvidede sig og afkølede, blev kræfterne adskilt af årsager, der stadig er uklare. Igen kan man i fremtiden finde spor af disse hændelser ved hjælp af særligt følsomme detektorer.

Under alle omstændigheder lover den nærmeste fremtid at blive interessant. Nye undersøgelser af gravitationsbølger kan trods alt endelig bevise rigtigheden af ​​mange grundlæggende modeller eller omvendt fuldstændig revolutionere vores forståelse af universet.

Interessant artikel?

paul goeltz / flickr.com

Italienske teoretiske fysikere har vist, at modellen for farvet mørkt stof, det vil sige mørkt stof bestående af bundne tilstande af partikler med en ikke-nul farvet ladning (quorns), godt kan være levedygtig. I modsætning til populær tro fører eksistensen af ​​sådanne partikler ikke til dannelsen stort antal blandede tilstande af almindelige og "mørke" kvarker, og målt ved dette øjeblik Tværsnittet for interaktionen af ​​quorner med partikler af almindeligt stof er i overensstemmelse med modellens forudsigelser. Artikel offentliggjort i Fysisk gennemgang D og er frit tilgængelig.

Et team af videnskabsmænd ledet af Alessandro Strumia har dog udfordret dette argument og vist, at mørkt stof partikler godt kan have en farvet ladning. For at gøre dette tilføjede de en stabil massiv partikel til standardmodellen Q med en farveladning, der ikke er nul, for nemheds skyld betragtes den som elektrisk neutral (så modellens eneste frie parameter var masse M Q). Denne partikel, kaldet Quorn, kan ligge i både de fundamentale og adjunkte repræsentationer af den kromodynamiske gruppe S.U.(3) c; i det første tilfælde partiklen Q er en "mørk kvark" og danner bundne farveløse tilstande af formen QQQ, og i det andet tilfælde - en "mørk gluon", hvis bundne tilstande har formen QQ("mørke limkugler"). Læs om gruppens forestillinger S.U.(3) c og deres forbindelser med kromodynamikken kan f.eks. findes i Valery Rubakovs bog. Forskere kalder sådanne hadroniske tilstande, der kun består af mørkt stof partikler, "rene-quorns" (quorn-onlyum hadroner). Naturligvis sammen med "rene" tilstande i den foreslåede teori, blandede stater som Q qq, QQ q og Q q̄ (hvis Q- kvark) eller Q g, Q qq' (hvis Q- gluon).

Forskerne testede derefter under hvilke forhold den foreslåede model gengiver den observerede masse af mørkt stof. For at gøre dette beregnede de tværsnittet for dannelsen af ​​en stald QQ-hadron i sammenstødet mellem to blandede limkugler Q g+ Q g → QQ+gg. Tværsnittet af en sådan reaktion er omvendt proportional med QCD faseovergangstemperaturen: σ ~π/Λ QCD 2, som er lig med Λ QCD ≈ 0,31 gigaelektronvolt, og derfor for dannelsen af ​​en bundet tilstand QQ reaktionen skal have en forholdsvis stor effektparameter b~ 1/Λ QCD (husk, at i systemet ℏ = c= 1 længdens dimension falder sammen med dimensionen af ​​den reciprokke masse, og massen måles i elektronvolt). Som et resultat vil den resulterende "rene-quorn" have høj vinkelmomentum og vil derfor være ustabil. Imidlertid viste beregninger udført af forskere, at ved temperaturer mindre end T~0,3Λ QCD og en Quorn-masse på omkring 12,5 teraelektronvolt QQ-tilstand henfalder ikke, som man kunne forvente, men går over til en stabil tilstand med nul vinkelmomentum, mens den udsender bløde, lavenergi-standardmodel-gluoner. Det er vigtigt at bemærke, at med en sådan masse fuldt antal Quorns, i overensstemmelse med den observerede mørke stofmasse, er kun 10-14 gange antallet af almindelige stofpartikler.

Afhængighed af overgangstværsnittet til en stabil tilstand af temperatur for en quornmasse på ca. 12,5 teraelektronvolt og forskellige effektive koblingskonstanter

Dette betyder, at som et resultat af kosmologiske processer i universets liv, kunne alle frie quorner gå i bundne farveløse tilstande, hvis hastigheden af ​​fusionsreaktioner på disse stadier oversteg universets ekspansionshastighed, hvilket forårsager koncentrationen af ​​frie partikler til formindske. Faktisk har fysikere vist, at under en faseovergang, QCD (temperaturen af ​​stoffet T ~ ΛQCD) i løbet af den karakteristiske tid for udvidelsen af ​​universet lykkedes det at finde omkring ~1019 quorn-fusionsreaktioner. Da antallet af sådanne reaktioner er meget større end forholdet mellem antallet af almindelige kvarker og antallet af quorner (~10 14), gik næsten alle quorner i stabile "rent mørke" tilstande, og koncentrationen af ​​blandede tilstande viste sig at være forsvindende lille. I det væsentlige ligner denne proces primær nukleosyntese, hvor de letteste atomer blev dannet kemiske elementer. Derudover er modellens forudsigelser i god overensstemmelse med det eksperimentelt observerede billede af verden.

Forholdet mellem massen af ​​bundne stabile quorns og den aktuelt observerede masse af mørkt stof som funktion af tid (eller energi, som er unikt relateret til den tid, der er gået siden Stort brag)

Valerio De Luca et al. / Fysisk. Rev. D

Endelig har fysikere estimeret tværsnittet for interaktionen mellem stabile hadroner QQ med Standard Model-partikler, som kan måles i direkte eksperimenter (designet på samme måde