Hva er mørk materie? Bare om de kompliserte tingene: hva er mørk materie og hvor du skal lete etter det

En teoretisk konstruksjon i fysikk kalt standardmodellen beskriver interaksjonene til alle kjent for vitenskapen elementære partikler. Men dette er bare 5% av materien som eksisterer i universet, de resterende 95% har absolutt ukjent natur. Hva er denne hypotetiske mørke materien og hvordan prøver forskere å oppdage den? Hayk Hakobyan, MIPT-student og ansatt ved Institutt for fysikk og astrofysikk, forteller om dette som en del av et spesielt prosjekt.

Standardmodellen av elementærpartikler, endelig bekreftet etter oppdagelsen av Higgs-bosonet, beskriver de grunnleggende interaksjonene (elektrosvake og sterke) til de vanlige partiklene vi kjenner: leptoner, kvarker og kraftbærere (bosoner og gluoner). Det viser seg imidlertid at hele denne enorme komplekse teorien bare beskriver omtrent 5-6% av all materie, mens resten ikke passer inn i denne modellen. Observasjoner av de tidligste øyeblikkene i universet vårt viser oss at omtrent 95 % av stoffet som omgir oss er av en helt ukjent natur. Med andre ord, vi ser indirekte tilstedeværelsen av denne skjulte materien på grunn av dens gravitasjonspåvirkning, men vi har ennå ikke klart å fange den direkte. Dette skjulte massefenomenet har kodenavnet «mørk materie».

Moderne vitenskap, spesielt kosmologi, arbeider etter den deduktive metoden til Sherlock Holmes

Nå er hovedkandidaten fra WISP-gruppen aksionen, som oppstår i teorien om det sterke samspillet og har en veldig liten masse. En slik partikkel er i stand til å forvandle seg til et foton-foton-par i høye magnetiske felt, noe som gir hint om hvordan man kan prøve å oppdage den. ADMX-eksperimentet bruker store kamre som skaper et magnetfelt på 80 000 gauss (det er 100 000 ganger mer magnetfelt Jord). I teorien burde et slikt felt stimulere nedbrytningen av en aksion til et foton-foton-par, som detektorer skal fange. Til tross for utallige forsøk, har det ennå ikke vært mulig å oppdage WIMPs, aksioner eller sterile nøytrinoer.

Dermed har vi reist gjennom et stort antall forskjellige hypoteser for å forsøke å forklare den underlige tilstedeværelsen av den skjulte massen, og etter å ha avvist alle umulighetene ved hjelp av observasjoner, har vi kommet frem til flere mulige hypoteser som vi allerede kan jobbe med.

Et negativt resultat i vitenskapen er også et resultat, siden det gir begrensninger på forskjellige parametere for partikler, for eksempel eliminerer det rekkevidden av mulige masser. Fra år til år gir flere og flere nye observasjoner og eksperimenter med akseleratorer nye, strengere restriksjoner på massen og andre parametere til mørk materiepartikler. Dermed, ved å kaste ut alle de umulige alternativene og innsnevre sirkelen av søk, blir vi dag for dag nærmere å forstå hva 95% av materien i universet vårt består av.

I artiklene i serien undersøkte vi strukturen til det synlige universet. Vi snakket om strukturen og partiklene som danner denne strukturen. Om nukleoner som spiller hovedrolle, siden det er fra dem all synlig materie består. Om fotoner, elektroner, nøytrinoer, og også om biaktørene som er involvert i det universelle skuespillet som utspiller seg 14 milliarder år etter Big Bang. Det ser ut til at det ikke er mer å snakke om. Men det er ikke sant. Faktum er at stoffet vi ser bare er en liten del av det vår verden består av. Alt annet er noe vi nesten ikke vet noe om. Dette mystiske "noe" kalles mørk materie.

Hvis skyggene til objekter ikke var avhengig av størrelsen på disse sistnevnte,
og hvis de hadde sin egen vilkårlige vekst, så kanskje
snart ville det ikke være igjen i det hele tatt kloden ikke et eneste lyst sted.

Kozma Prutkov

Hva vil skje med vår verden?

Etter Edward Hubbles oppdagelse av rødforskyvninger i spektrene til fjerne galakser i 1929, ble det klart at universet utvidet seg. Et av spørsmålene som dukket opp i denne forbindelse var følgende: hvor lenge vil utvidelsen vare og hvordan vil den ende? Gravitasjonskraften som virker mellom individuelle deler av universet har en tendens til å bremse tilbaketrekningen av disse delene. Hva bremsingen vil føre til avhenger av universets totale masse. Hvis den er stor nok, vil gravitasjonskrefter gradvis stoppe utvidelsen og den erstattes av kompresjon. Som et resultat vil universet til slutt "kollapse" igjen til det punktet det en gang begynte å utvide seg fra. Hvis massen er mindre enn en viss kritisk masse, vil ekspansjonen fortsette for alltid. Det er vanligvis vanlig å snakke ikke om masse, men om tetthet, som er relatert til masse ved en enkel relasjon, kjent fra skolekurs: Tetthet er masse delt på volum.

Den beregnede verdien av den kritiske gjennomsnittlige tettheten til universet er omtrent 10 -29 gram per kubikkcentimeter, som tilsvarer et gjennomsnitt på fem nukleoner per kubikkmeter. Det bør understrekes vi snakker om spesielt om gjennomsnittlig tetthet. Den karakteristiske konsentrasjonen av nukleoner i vann, jord og i deg og meg er omtrent 10 30 per kubikkmeter. Men i tomrommet som skiller galaksehoper og opptar brorparten av universets volum, er tettheten titalls størrelsesordener lavere. Verdien av nukleonkonsentrasjonen, gjennomsnittlig over hele volumet av universet, ble målt titalls og hundrevis av ganger, og telle nøye antall stjerner og gass- og støvskyer ved hjelp av forskjellige metoder. Resultatene av slike målinger avviker noe, men den kvalitative konklusjonen er uendret: tettheten til universet når knapt noen få prosent av den kritiske verdien.

Derfor, frem til 70-tallet av det 20. århundre, var den allment aksepterte prognosen den evige utvidelsen av vår verden, som uunngåelig skulle føre til den såkalte varmedøden. Varmedød er en tilstand av et system når stoffet i det er jevnt fordelt og dets forskjellige deler har samme temperatur. Som en konsekvens er verken overføring av energi fra en del av systemet til en annen, eller omfordeling av materie mulig. I et slikt system skjer ingenting og kan aldri skje igjen. En klar analogi er vann som søles på en hvilken som helst overflate. Hvis overflaten er ujevn og det er til og med små høydeforskjeller, beveger vann seg langs den fra høyere til lavere steder og samler seg til slutt i lavlandet og danner vannpytter. Bevegelsen stopper. Den eneste trøsten som var igjen var at varmedød ville inntreffe om titalls og hundrevis av milliarder år. Følgelig trenger du ikke tenke på dette dystre prospektet på veldig, veldig lang tid.

Imidlertid ble det gradvis klart at universets sanne masse er mye større enn den synlige massen i stjerner og gass- og støvskyer, og mest sannsynlig er nær kritisk. Eller kanskje akkurat lik det.

Bevis for mørk materie

Den første indikasjonen på at noe var galt med beregningen av universets masse dukket opp på midten av 30-tallet av det 20. århundre. Den sveitsiske astronomen Fritz Zwicky målte hastigheten som galakser i Coma-hopen (en av de største klyngene vi kjenner til, den inkluderer tusenvis av galakser) beveger seg rundt et felles senter. Resultatet var nedslående: hastighetene til galaksene viste seg å være mye større enn man kunne forvente basert på den observerte totale massen til klyngen. Dette betydde at den sanne massen til Coma-klyngen var mye større enn den tilsynelatende massen. Men hovedmengden av materie som er tilstede i denne regionen av universet forblir av en eller annen grunn usynlig og utilgjengelig for direkte observasjoner, og manifesterer seg bare gravitasjonsmessig, det vil si bare som masse.

Tilstedeværelsen av skjult masse i galaksehoper er også bevist av eksperimenter på den såkalte gravitasjonslinsen. Forklaringen på dette fenomenet følger av relativitetsteorien. I samsvar med den deformerer enhver masse rommet og forvrenger, som en linse, den rettlinjede banen til lysstråler. Forvrengningen som galaksehoper forårsaker er så stor at den er lett å legge merke til. Spesielt ut fra forvrengningen av bildet av galaksen som ligger bak klyngen, er det mulig å beregne fordelingen av materie i linsehopen og derved måle dens totale masse. Og det viser seg at det alltid er mange ganger større enn bidraget til det synlige stoffet i klyngen.

40 år etter Zwickys arbeid, på 70-tallet, studerte den amerikanske astronomen Vera Rubin rotasjonshastigheten rundt det galaktiske senteret av materie som ligger i periferien av galakser. I samsvar med Keplers lover (og de følger direkte av loven universell gravitasjon), når man beveger seg fra sentrum av galaksen til dens periferi, bør rotasjonshastigheten til galaktiske objekter avta i omvendt proporsjon med kvadratrot fra avstanden til sentrum. Målinger har vist at for mange galakser holder denne hastigheten seg nesten konstant i en svært betydelig avstand fra sentrum. Disse resultatene kan bare tolkes på én måte: tettheten av materie i slike galakser avtar ikke når de beveger seg fra sentrum, men forblir nesten uendret. Siden tettheten av synlig materie (inneholdt i stjerner og interstellar gass) raskt faller mot periferien av galaksen, må den manglende tettheten tilføres av noe vi av en eller annen grunn ikke kan se. For å kvantitativt forklare de observerte avhengighetene til rotasjonshastigheten av avstanden til sentrum av galakser, kreves det at dette usynlige "noe" er omtrent 10 ganger større enn vanlig synlig materie. Dette "noe" ble kalt "dark matter" (på engelsk " mørk materie") og er fortsatt det mest spennende mysteriet innen astrofysikk.

Et annet viktig bevis for tilstedeværelsen av mørk materie i vår verden kommer fra beregninger som simulerer prosessen med galaksedannelse som begynte omtrent 300 000 år etter Big Bang. Disse beregningene viser at gravitasjonskraften som virket mellom de flygende fragmentene av stoffet som ble generert under eksplosjonen, ikke kunne kompensere kinetisk energi spredning Saken burde rett og slett ikke ha samlet seg i galakser, som vi likevel observerer i moderne tid. Dette problemet kalles det galaktiske paradokset, og i lang tid det ble ansett som et alvorlig argument mot Big Bang-teorien. Men hvis vi antar at partikler av vanlig materie i det tidlige universet ble blandet med partikler av usynlig mørk materie, så faller alt på plass i beregningene og endene begynner å møtes - dannelsen av galakser fra stjerner, og deretter galaksehoper , blir mulig. Samtidig, som beregninger viser, akkumulerte først et stort antall mørk materiepartikler i galakser, og først da, på grunn av gravitasjonskrefter, ble elementer av vanlig materie samlet på dem, Total vekt som utgjorde bare noen få prosent av universets totale masse. Det viser seg at det kjente og, ser det ut til, studert til detaljer synlig verden, som vi først nylig trodde var nesten forstått, er bare et lite tillegg til noe som universet faktisk består av. Planeter, stjerner, galakser og du og meg er bare en skjerm for et enormt "noe" som vi ikke har den minste anelse om.

Foto fakta

Galaksehopen (nederst til venstre i det sirklede området) lager en gravitasjonslinse. Det forvrenger formen på objekter som ligger bak linsen - og strekker bildene deres i én retning. Basert på størrelsen og retningen på strekningen konstruerte en internasjonal gruppe astronomer fra det søreuropeiske observatoriet, ledet av forskere fra Paris Institute of Astrophysics, en massefordeling, som er vist på det nederste bildet. Som du kan se, inneholder klyngen mye mer masse enn det som kan sees gjennom et teleskop.

Å jakte på mørke, massive objekter er en langsom prosess, og resultatene ser ikke de mest imponerende ut på fotografier. I 1995 la Hubble-teleskopet merke til at en av stjernene i den store magellanske skyen blinket lysere. Denne gløden varte i tre sekunder. ekstra måned, men så vendte stjernen tilbake til sin naturlige tilstand. Og seks år senere, ved siden av stjernen, dukket noen knapt opp glødende objekt. Det var en kald dverg som passerte i en avstand på 600 lysår fra stjernen og skapte en gravitasjonslinse som forsterket lyset. Beregninger har vist at massen til denne dvergen bare er 5-10 % av solens masse.

Til slutt forbinder den generelle relativitetsteorien utvetydig universets ekspansjonshastighet med den gjennomsnittlige tettheten av stoffet som finnes i det. Forutsatt at den gjennomsnittlige krumningen av rommet er null, det vil si at geometrien til Euclid og ikke Lobachevsky opererer i den (som er pålitelig verifisert, for eksempel i eksperimenter med kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling), bør denne tettheten være lik 10 - 29 gram per kubikkcentimeter. Tettheten av synlig materiale er omtrent 20 ganger mindre. De manglende 95 % av massen til universet er mørk materie. Merk at tetthetsverdien målt fra ekspansjonshastigheten til universet er lik den kritiske verdien. To verdier, uavhengig beregnet fullstendig forskjellige måter, falt sammen! Hvis universets tetthet faktisk er nøyaktig lik den kritiske tettheten, kan ikke dette være en tilfeldighet, men er en konsekvens av en grunnleggende egenskap til vår verden, som ennå ikke er forstått og forstått.

Hva er dette?

Hva vet vi i dag om mørk materie, som utgjør 95 % av universets masse? Nesten ingenting. Men vi vet fortsatt noe. Først av alt er det ingen tvil om at mørk materie eksisterer - dette er ugjendrivelig bevist av fakta gitt ovenfor. Vi vet også med sikkerhet at mørk materie finnes i flere former. Etter å begynnelsen av XXIårhundrer som et resultat av mange års observasjoner i eksperimenter SuperKamiokande(Japan) og SNO (Canada) ble det fastslått at nøytrinoer har masse, ble det klart at fra 0,3% til 3% av de 95% av den skjulte massen ligger i nøytrinoer som lenge har vært kjent for oss - selv om deres masse er ekstremt liten, men mengden deres er i Universet har omtrent en milliard ganger antallet nukleoner: hver kubikkcentimeter inneholder i gjennomsnitt 300 nøytrinoer. De resterende 92-95% består av to deler - mørk materie og mørk energi. En liten brøkdel av mørk materie består av vanlig baryonisk materie, bygget av nukleoner, resten står tilsynelatende for noen ukjente massive svakt samvirkende partikler (den såkalte kalde mørke materien). Energibalanse i moderne univers er presentert i tabellen, og historien om de tre siste kolonnene er nedenfor.

Baryonisk mørk materie

En liten (4-5 %) del av mørk materie er vanlig materie som avgir lite eller ingen egen stråling og er derfor usynlig. Eksistensen av flere klasser av slike objekter kan betraktes som eksperimentelt bekreftet. De mest komplekse eksperimentene, basert på den samme gravitasjonslinsen, førte til oppdagelsen av såkalte massive kompakte haloobjekter, det vil si lokalisert i periferien av galaktiske skiver. Dette krevde overvåking av millioner av fjerne galakser over flere år. Når et mørkt, massivt legeme passerer mellom en observatør og en fjern galakse, er lysstyrken det en kort tid avtar (eller øker, siden den mørke kroppen fungerer som en gravitasjonslinse). Som et resultat av møysommelige søk ble slike hendelser identifisert. Naturen til massive kompakte halo-objekter er ikke helt klar. Mest sannsynlig er dette enten avkjølte stjerner (brune dverger) eller planetlignende objekter som ikke er assosiert med stjerner og reiser rundt i galaksen på egenhånd. En annen representant for baryonisk mørk materie er varm gass som nylig ble oppdaget i galaksehoper ved hjelp av røntgenastronomimetoder, som ikke lyser i det synlige området.

Ikke-baryonisk mørk materie

Hovedkandidatene for ikke-baryonisk mørk materie er de såkalte WIMP-ene (forkortelse for engelsk Svak interaktive massive partikler- svakt samvirkende massive partikler). Det særegne med WIMP-er er at de nesten ikke viser noen interaksjon med vanlig materie. Dette er grunnen til at de er den virkelige usynlige mørke materien, og hvorfor de er ekstremt vanskelige å oppdage. Massen til WIMP må være minst titalls ganger større enn massen til et proton. Søket etter WIMP-er har blitt utført i mange eksperimenter de siste 20-30 årene, men til tross for alle anstrengelser har de ennå ikke blitt oppdaget.

En idé er at hvis slike partikler eksisterer, så burde jorden, i sin bane med solen rundt det galaktiske sentrum, fly gjennom et regn av WIMPs. Til tross for at WIMP er en ekstremt svakt samvirkende partikkel, har den fortsatt en svært liten sannsynlighet for å samhandle med et vanlig atom. Samtidig kan et signal tas opp i spesielle installasjoner - veldig komplekse og kostbare. Antallet slike signaler bør endres i løpet av året fordi når jorden beveger seg i bane rundt solen, endrer den hastighet og retning i forhold til vinden, som består av WIMP-er. DAMA-eksperimentgruppen, som arbeider ved Italias Gran Sasso underjordiske laboratorium, rapporterer observerte variasjoner fra år til år i signalteller. Andre grupper har imidlertid ennå ikke bekreftet disse resultatene, og spørsmålet forblir i hovedsak åpent.

En annen metode for å søke etter WIMP-er er basert på antakelsen om at i løpet av milliarder av år av deres eksistens, bør forskjellige astronomiske objekter (Jorden, Solen, sentrum av galaksen vår) fange WIMP-er, som samler seg i sentrum av disse objektene, og tilintetgjøre hverandre, gir opphav til en nøytrinostrøm . Forsøk på å oppdage overflødig nøytrinoflux fra sentrum av jorden mot solen og sentrum av galaksen ble gjort på underjordiske og undervanns nøytrino-detektorer MACRO, LVD (Gran Sasso Laboratory), NT-200 (Lake Baikal, Russland), SuperKamiokande, AMANDA (Scott Station -Amundsen, sydpol), men har ennå ikke ført til et positivt resultat.

Eksperimenter for å søke etter WIMP-er utføres også aktivt ved partikkelakseleratorer. I samsvar med Einsteins berømte ligning E=mс 2 er energi ekvivalent med masse. Derfor, ved å akselerere en partikkel (for eksempel et proton) til en veldig høy energi og kollidere den med en annen partikkel, kan man forvente dannelsen av par av andre partikler og antipartikler (inkludert WIMPer), hvis totale masse er lik den totale energien til de kolliderende partiklene. Men akseleratoreksperimenter har ennå ikke ført til et positivt resultat.

Mørk energi

På begynnelsen av forrige århundre introduserte Albert Einstein, som ønsket å sikre tidsuavhengighet for den kosmologiske modellen i den generelle relativitetsteorien, den såkalte kosmologiske konstanten i teoriens ligninger, som han utpekte. Gresk bokstav"lambda" - Λ. Denne Λ var en rent formell konstant, der Einstein selv ikke så noen fysisk mening. Etter at universets utvidelse ble oppdaget, forsvant behovet for det. Einstein angret sterkt på hastverket og kalte den kosmologiske konstanten sin største vitenskapelige feil. Men tiår senere viste det seg at Hubble-konstanten, som bestemmer universets ekspansjonshastighet, endres med tiden, og dens avhengighet av tid kan forklares ved å velge verdien av den svært "feilaktige" Einstein-konstanten Λ, som bidrar til universets skjulte tetthet. Denne delen av den skjulte massen ble kalt "mørk energi".

Enda mindre kan sies om mørk energi enn om mørk materie. For det første er den jevnt fordelt over hele universet, i motsetning til vanlig materie og andre former for mørk materie. Det er like mye av det i galakser og galaksehoper som utenfor dem. For det andre har den flere veldig merkelige egenskaper, som bare kan forstås ved å analysere relativitetsteoriens ligninger og tolke løsningene deres. For eksempel opplever mørk energi antigravitasjon: på grunn av sin tilstedeværelse øker universets ekspansjonshastighet. Mørk energi ser ut til å skyve seg bort, og akselerere spredningen av vanlig materie samlet i galakser. Mørk energi har også undertrykk, på grunn av dette oppstår det en kraft i stoffet som hindrer det i å strekke seg.

Hovedkandidaten for mørk energi er vakuum. Vakuumenergitettheten endres ikke når universet ekspanderer, noe som tilsvarer negativt trykk. En annen kandidat er et hypotetisk supersvakt felt, kalt kvintessens. Håp om å klargjøre mørk energis natur er først og fremst forbundet med nye astronomiske observasjoner. Fremskritt i denne retningen vil utvilsomt bringe radikalt ny kunnskap til menneskeheten, siden i alle fall må mørk energi være et helt uvanlig stoff, helt annerledes enn det fysikken har beskjeftiget seg med så langt.

Så, 95% av vår verden består av noe som vi nesten ikke vet noe om. Man kan ha ulike holdninger til et slikt faktum som er hevet over enhver tvil. Det kan forårsake angst, som alltid følger med et møte med noe ukjent. Eller skuffelse fordi en så lang og vanskelig vei konstruksjonen av en fysisk teori som beskriver egenskapene til vår verden førte til utsagnet: det meste av universet er skjult for oss og ukjent for oss.

Men de fleste fysikere føler seg nå oppmuntret. Erfaring viser at alle gåtene som naturen stilte for menneskeheten før eller siden ble løst. Utvilsomt vil mysteriet med mørk materie også bli løst. Og dette vil helt sikkert bringe helt ny kunnskap og konsepter som vi ikke aner noe om ennå. Og kanskje møter vi nye mysterier, som i sin tur også vil løses. Men dette blir en helt annen historie, som lesere av «Kjemi og liv» ikke vil kunne lese før noen år senere. Eller kanskje om noen tiår.

• 1314 7
• kilde: www.vesti.ru

11. februar representanter internasjonalt prosjekt Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) annonserte den første detekteringen av gravitasjonsbølger noensinne.

Det er trodd at mørk energi er drivkraft, som sikrer konstant utvidelse av universet. I dette tilfellet kan observasjon av flere svarte hulls fusjoner gi ledetråder til dens natur. Signalparametere som bølgefrekvens og amplitude forteller mye om kilden deres. Og ved å sammenligne kraften til kollisjonen, bestemt ved bruk av konvensjonelle teleskoper, med kraften til gravitasjonssvingninger målt av detektorer, er det mulig å fastslå hvor langt hendelsen skjedde og hvor mye plass som utvidet seg mens bølgene fløy mot jorden.

"Dette målet på effekten av mørk energi bør være sterkere og mer pålitelig enn noe vi bruker for øyeblikket," sier astrofysiker Avi Loeb fra Harvard University , vil dette bli en ny retning innen kosmologi."

Oppdagelsen av gravitasjonsbølger kan være en stor test av Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Tross alt, med deres hjelp kan du bekrefte eller tilbakevise det grunnleggende prinsippet teori om ekvivalens av gravitasjons- og treghetskrefter, hvorfra det følger at kreftene til gravitasjonsinteraksjon er proporsjonale med kroppens masse og påvirker alle masser (kropp forskjellige masser) det samme.

Forskere kan nå bestemme hvordan styrken til gravitasjonsbølger avtar når de reiser over lange avstander. Og hvis kraften ikke avtar slik modellene forutsier, vil det utgjøre en alvorlig utfordring for en av fysikkens grunnleggende teorier.

En annen retning som vitenskapen kan gå videre takket være den siste oppdagelsen er letingen etter spor etter den såkalte kosmisk inflasjon. I følge den inflasjonære kosmologiske modellen, kort tid etter Big Bang, utvidet universet seg mye raskere enn i standard hot Universe-modellen.

Hvis det etter suksessen med LIGO-prosjektet dukker opp nye, enda mer følsomme gravitasjonsdetektorer rundt om i verden, kan de være i stand til å oppdage kortere bølger som oppsto i perioden med økt ekspansjon av det unge universet. I følge teorien var rommet på den tiden ugjennomtrengelig for lys og elektromagnetisk stråling, så gravitasjonssvingninger kan være de eneste "vitnene" til denne perioden.

"Vi kan potensielt spore nesten helt tilbake til Big Bang," sier Dejan Stojkovic fra New York University "LIGO vil ikke være i stand til å fornemme slike vibrasjoner, men nå som vi vet at bølgene eksisterer, vil det være mye lettere. å overbevise folk om å investere penger i å lage andre typer detektorer."

Til slutt kan gravitasjonsbølger være den etterlengtede nøkkelen til Store foreningsteorier, som antyder at på det tidlige stadiet av utviklingen av universet ble alle de fire grunnleggende kreftene - gravitasjons-, elektromagnetiske, sterke og svake interaksjoner - kombinert til én kraft. Etter hvert som universet ekspanderte og avkjølte seg, skilte kreftene seg av årsaker som fortsatt er uklare. Nok en gang kan spor etter disse hendelsene bli funnet i fremtiden ved bruk av spesielt sensitive detektorer.

Uansett lover nær fremtid å bli interessant. Tross alt kan nye studier av gravitasjonsbølger endelig bevise riktigheten av mange grunnleggende modeller eller omvendt fullstendig revolusjonere vår forståelse av universet.

Interessant artikkel?

paul goeltz / flickr.com

Italienske teoretiske fysikere har vist at modellen for farget mørk materie, det vil si mørk materie som består av bundne tilstander av partikler med en ikke-null farget ladning (quorns), godt kan være levedyktig. I motsetning til populær tro, fører ikke eksistensen av slike partikler til dannelsen stort nummer blandede tilstander av vanlige og "mørke" kvarker, og målt til dette øyeblikket Tverrsnittet for interaksjonen av quorns med partikler av vanlig materie er i samsvar med spådommene til modellen. Artikkel publisert i Fysisk gjennomgang D og er fritt tilgjengelig.

Imidlertid har et team av forskere ledet av Alessandro Strumia utfordret dette argumentet og vist at mørk materie partikler godt kan ha en farget ladning. For å gjøre dette la de til en stabil massiv partikkel til standardmodellen Q med en fargeladning som ikke er null, for enkelhets skyld med tanke på at den er elektrisk nøytral (så den eneste frie parameteren til modellen var masse M Q). Denne partikkelen, kalt Quorn, kan ligge i både de grunnleggende og tilstøtende representasjonene av kromodynamikkgruppen S.U.(3) c; i det første tilfellet partikkelen Q er en "mørk kvark" og danner bundne fargeløse tilstander av formen QQQ, og i det andre tilfellet - en "mørk gluon", hvis bundne tilstander har formen QQ("mørke limkuler"). Les om gruppens opptredener S.U.(3) c og deres forbindelser med kromodynamikk finnes for eksempel i boken til Valery Rubakov. Forskere kaller slike hadroniske tilstander, som bare består av mørk materiepartikler, "rene-quorns" (quorn-onlyum hadroner). Selvfølgelig, sammen med "rene" tilstander i den foreslåtte teorien, vil blandede stater som Q qq, QQ q og Q q̄ (hvis Q- kvark) eller Q g, Q qq’ (hvis Q- gluon).

Forskerne testet deretter under hvilke forhold den foreslåtte modellen reproduserer den observerte massen av mørk materie. For å gjøre dette beregnet de tverrsnittet for dannelsen av en stall QQ-hadron i kollisjonen mellom to blandede limkuler Q g+ Q g → QQ+gg. Tverrsnittet av en slik reaksjon er omvendt proporsjonalt med temperaturen til QCD-faseovergangen: σ ~π/Λ QCD 2, som er lik Λ QCD ≈ 0,31 gigaelektronvolt, og derfor for dannelsen av en bundet tilstand QQ reaksjonen må ha en relativt stor innvirkningsparameter b~ 1/Λ QCD (husk at i systemet ℏ = c= 1 lengdedimensjonen sammenfaller med dimensjonen til den resiproke massen, og massen måles i elektronvolt). Som et resultat vil den resulterende "rene-quorn" ha høy vinkelmomentum, og vil derfor være ustabil. Imidlertid viste beregninger utført av forskere at ved temperaturer mindre enn T~0,3Λ QCD og en Quorn-masse på omtrent 12,5 teraelektronvolt QQ-tilstand forfaller ikke som forventet, men går over til en stabil tilstand med null vinkelmomentum, mens den avgir myke, lavenergi-standardmodell-gluoner. Det er viktig å merke seg at med en slik masse fullt antall Quorns, i samsvar med den observerte massen av mørk materie, er bare 10-14 ganger antallet vanlige materiepartikler.

Avhengighet av overgangstverrsnittet til en stabil tilstand av temperatur for en quornmasse på ca. 12,5 teraelektronvolt og forskjellige effektive koblingskonstanter

Dette betyr at som et resultat av kosmologiske prosesser i universets liv, kan alle frie quorner gå inn i bundne fargeløse tilstander hvis hastigheten av fusjonsreaksjoner på disse stadiene oversteg universets ekspansjonshastighet, noe som forårsaker konsentrasjonen av frie partikler til avta. Faktisk har fysikere vist at under en faseovergang, QCD (temperaturen til stoffet T ~ ΛQCD) i løpet av den karakteristiske tiden for utvidelsen av universet klarte omtrent ~10 19 quornfusjonsreaksjoner å oppstå. Siden antallet slike reaksjoner er mye større enn forholdet mellom antall vanlige kvarker og antall quorner (~10 14), gikk nesten alle quorner inn i stabile "rent mørke" tilstander, og konsentrasjonen av blandede tilstander viste seg å være forsvinnende liten. I hovedsak ligner denne prosessen på primær nukleosyntese, hvor de letteste atomene ble dannet kjemiske elementer. I tillegg er modellens spådommer i god overensstemmelse med det eksperimentelt observerte bildet av verden.

Forholdet mellom massen av bundne stabile quorns og den nåværende observerte massen av mørk materie som en funksjon av tid (eller energi, som er unikt relatert til tiden som har gått siden Det store smellet)

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

Til slutt har fysikere estimert tverrsnittet for interaksjonen mellom stabile hadroner QQ med standardmodellpartikler, som kan måles i direkte eksperimenter (designet på samme måte