Студенческий портал

Физики уже заждалась свою долгую запланированной встречи с будущим — снова и снова, снова и снова кто-то опаздывает. Последние, наиболее чувствительные для поиска частиц, из которых, как мы думаем, может быть, темной материи, невидимого вещества, что составляет 85% массы в пространстве — ни к чему не привели. Вимпы (WIMP, слабо взаимодействие массивные частицы), эти крошечные субатомные частицы, они прячутся лучше, чем мысли из физики, когда более 30 лет назад предсказал его существование. Или нет, это будет означать, что наше глубокое непонимание Вселенной. Многие ученые до сих пор питают надежду, что обновленные версии экспериментов по поиску вимпов, наконец, доступна. Другие, сомневаясь в самом сердце тьмы, и начинают подумывать о том, что пора выбросить на свалку истории наше понимание темной материи.

Для того, что бы темная материя, то есть, не учитывается в Стандартной модели физики элементарных частиц, тщательно проверенной теории «почти все», выкованной в 1970-х годах. Она объясняет все частицы и все известные силы, кроме гравитации. Найти суть темной материи и осветить путь к более глубокому пониманию Вселенной, — это то, что ждут от физики. Или хорошо, что и ожидалось.

Вимпы гравитационную силу, которая отметила, что было бы на вес от одной до тысячи масс протона. Единственная его другие связи, познакомиться с нами, мир был бы слабые ядерные силы, которые сильнее, чем Гравитация, но только на небольших расстояниях, в масштабах атомных ядер. Если они существуют, вимпы, должны окружить нас, как туман, невидимый, и о возможностях его взаимодействия с обычным веществом, настолько мал, что эта частица может пройти через свинец толщиной в световой год, и не поморщиться.

Однако, экспериментаторы провели несколько десятилетий, чтобы выработать и использовать детекторы вимпов. Было довольно. CDEX, СУКД, CoGeNT, COUPP и CRESST-это только самые известные примеры на букву З., Деликатный работать в поисках какой-либо слабых, редких и мимолетных взаимодействий вимпов с атомами требует уединения и одиночества, так что большинство детекторов заняли пещеры, шахты и другие подземные пространства.

Среди последних неопределенные результаты поиска вимпов — провал эксперимента Large Underground Xenon (LUX). В базе треть тонны жидкого ксенона, который хранится при температуре -100 градусов по Цельсию внутри гигантского, наполненный водой резервуар, низкий и средний километров от земли в Блэк-Хиллс в Южной Дакоте. Там, вдали от большинства источников шума, ученые потратили больше года времени на поиск вспышки из ядер ксенона, в которые попадают вимпы. 21 июля, объявили, что они не видели ни одной.

Следующее разочарование получил 5 августа, самый мощный ускоритель частиц, когда-либо созданных: от большого адронного коллайдера (БАК) в Женеве, Швейцария. В 2012 году, после обнаружения бозона Хиггса — долгожданный последний частиц в Стандартной модели, что дает другим в массы, многие теоретики считают, что следующей большой результат БАК будет открытие, как Хиггс (или другие гипотетические частицы, похожие ему помогает родиться вимпам и заполнить пространство. Начиная с весны 2015 года ТАНК преследует эти открытия, сталкивая протоны вместе беспрецедентно высоких энергий миллиарда в секунду. Сначала две команды независимые экспериментаторы обнаружили аномалии в субатомные руины, избыток энергии столкновения протонов, которые могут указать в направлении новой физики (возможно, рожденной вимпами или еще какие экзотические гостей с ограниченными физическими возможностями). Но вместо этого, когда БАК сломал больше протонов и собрал больше данных, аномалия просто испарилась, встречаясь только случайно статистики.

Вместе, эти два ноль результата — как обоюдоострый меч для темной материи, для сердце тьмы. С одной стороны, новые ограничения, скорее всего, масса темной материи и взаимодействий вимпов, создают основу для детекторов нового поколения, которые также могут попытать счастья. С другой стороны, из самых простых и удобных моделей, вимпов, поднимая свежих беспокойство на тему того, что так давно, что частицы могут находиться в диапазоне лет исследования.

Эдвард Колб, космолог из Чикагского университета, в 1970-х годах, помог заложить основу для следующего поколения охотников вимпами. Было объявлено, 2010-е годы «десятилетием вимпа», но теперь признает, что поиск не был, как и планировалось. «Сегодня мы еще больше тьмы насчет темной материи, чем они были пять лет назад», — говорит он. Большинство теоретиков отреагировали на отсутствие результатов, создание большого числа экзотических теорий, которые могут объяснить, в самом деле, почему вимпы избегают наши детекторы.

Конечно, есть еще одна возможность — вимпы просто не являются решением для темной материи, что мы должны искать. «Вимпы придумали, как простой, элегантный, убедительного объяснения этого явления трудно», — говорит Колб.

«Каждый имеет сложный феномен является простой, элегантный, убедительное объяснение, что просто неправильное».

В поисках чуда

Охотники вимпами сходятся во мнении, что только искали хорошо, говорит представитель LUX Ричард Гейтскелл. Из-за неопределенности в отношении точности массы и силы взаимодействия этих неуловимых частиц, область поиска вимпов охватывает восемь порядков. Если вимпы очень массивны, в пространство кулак может быть на один-два вимпа в любой момент; если они слишком легкие, миллиарды проходят через тебя каждую секунду. Создание детектором, который охватил этот широкий диапазон, как и создание сети для ловли рыб, некоторые из которых будут размер эритроцит, и другие города.

Гейтскелл и другие охотники вимпами делают ставки, что эти детекторы больше дадут результаты лучше, и есть планы для нового поколения экспериментов с существенно большего размера и светочувствительности. «Я начал искать 28 лет назад, используя 10g детектор», — говорит Гейтскелл. «На сегодняшний день мы используем детектор с третьей тонн жидкого ксенона. В следующих 10 до 15 лет вырастет до 100 тонн».

В отсутствие эмпирических данных реальных вимпов, в течение долгих лет ее поиска, он был очень убедительным теоретического аргумента в пользу его существования. Физики называют это «чудо » вимпа». Это чудо, что держит в два спекулятивных ноги.

Первая нога тянется назад, в первые моменты пространства-времени. Прямая экстраполяция Стандартной модели до этой первозданной эпохи предполагается, что вимпы должны были родиться в больших количествах в плотной горячей плазме, которая наполнила Вселенную сразу после большого Взрыва. Большинство из этих випов должны встречаться друг с другом и аннигилировать, породив обычной частицы. Этот процесс постепенно ослабевал расширения и охлаждения Вселенной, оставив после себя «реликтовую» население холодных и медленных вимпов. Добавьте известной силы, слабые взаимодействия, media этот процесс, и вы сможете рассчитать количество реликтовых вимпов должна существовать и сегодня. Ответ: примерно в пять раз больше, чем обычной материи. Это прекрасно коррелирует с богатством, наблюдаемой темной материи.

Вторая нога-это чудо, связывает вимпы современные, масса бозона Хиггса. ЕМКОСТЬ измерил бозон Хиггса и показал, что в 130 раз тяжелее протона, и означает, Хиггс-это один из самых массивных известных частиц. Но принципы квантовой механики показывают, что масса бозона Хиггса должна быть нестабильным, и взаимодействовать с известными частицами будет расти в триллион раз, или более. Если только его нестабильного роста каким-то образом не отменяет или не уравновешивается с новой, пока не был обнаружен массивной фундаментальной частицы. Эти частицы являются сигнатурным прогноз суперсимметрии, популярное расширение Стандартной модели, который заполняет пробелы в теории, что каждая частица «суперпартнером». Много теорий суперсимметрии предсказывают, что самый легкий суперпартнер должна быть стабильной, нейтральной, несколько интерактивных частицы — как вимп. Эту неуловимую частицу искал БАК — и не нашел — в течение последних месяцев работы.

«Это забавно, как эти две совершенно независимые линии теста соединяют и говорят, что эти частицы могут существовать, точнейшим определить, сколько темной материи», — говорит Нил Вайнер, теоретик темной материи в Нью-йоркском университете. «Это чудо, вимпа».

В последние годы, однако, теоретики начали говорить о том, что вимпы не было так чудесно, что казалось. В 2008 году Джонатан Фэн и Джейсон Кумар, из университета Калифорнии в Ирвине доказали, что суперсимметрия также может привести к гипотетической класс частицы, что будет гораздо легче, и они будут взаимодействовать слабее, чем вимпы. «Эти частицы производят такое же количество темной материи, которые мы наблюдаем сегодня, но они не вимпам», — сказал Фэн. «Разрушает нашу гипотезу, так как, в теории, все так же хорошо мотивированы. Мы называем это безвимповым чудо».

Увядающие теоретические основы простых моделей вимпов и растущий список неудач детекторов были Фэна и многие другие, к мысли о том, что вимпы являются частью гораздо более сложной картины: совершенно новая область, скрытой Вселенной, наполненной множество разновидностей темных частиц, которые взаимодействуют между собой через набор темные силы, разделяя темные грузов через порывы темного света. Потому, что предлагают теоретики много дополнительных переменных, которые могут возникнуть, например, модель «темного сектора», могут быть согласованы и зарегистрированы в смирительную рубашку фактов, которые выливаются из последних результатов поиска темной материи.

Недостатком является то, что эта расползающаяся гибкость затрудняет окончательную проверку. «Темнота в частном секторе, можно придумать, что угодно», — говорит Дэвид Шпергель, астрофизик из Принстонского университета. — Теперь, когда мы потеряли в качестве руководства, нить чудо вимпа, пространство моделей огромен. Это площадка, на которой мы просто не знаем, куда идти; нам нужно больше дорожек природы, куда идти».

Пожалуй, только оцарапали общая площадь разнообразие частиц и сил природы, сосредоточив внимание только на кварках, фотонах и тому подобные вещи, потому что они хорошо известны и доступны для нас. В этом случае, как «пьяного, который ищет потерянные ключи только с фонарями, потому что нет света», — говорит Вайнер. «Есть ситуации, которые мы не можем проверить с помощью наших современных технологий. С другой стороны, если вы творческая личность, вы сможете создавать новые фонари».

Темные лошади

Все другие огни, которые известны в настоящее время, очень немногие отвечают теоретики. Как вимпы, некоторые из альтернативных кандидатов на темную материю также имеют убедительные теоретические основы. Своей относительной новизны, как говорят некоторые, отчасти обусловлена тем, что они не настолько богаты, феноменологически, как гипотеза вимпов, предлагают менее интересные сигналы и вопросы для экспериментаторов и теоретиков.

В прошлом году, группа ученых получила Нобелевскую премию за открытие того, что призрачные, слабое взаимодействие частиц нейтрино и три «вкуса» и обладают массой. Три вида нейтрино, не является достаточно массовой, чтобы объяснить темную материю, но в силу наличия массы также открывают возможность существования четвертого массовый, известный как «стерильные нейтрино».

«Почти все механизмы генерации массы нейтрино, требуют существования стерильных нейтрино, и было бы очень легко объяснить некоторые из этих стерильных нейтрино, на самом деле темная материя», — говорит Кеворк Абазаджян, теоретик из университета Калифорнии в Ирвине. Но никто не имел в стерильных нейтрино, даже самых чувствительных и попыток предпринял нейтринная обсерватория IceCube в Антарктиде. Провал сообщалось, в конце августа.

Другой многолетней темная лошадка среди кандидатов темной материи-это аксион, гипотетический несколько интерактивных частицы, предложенной в 1977 году, чтобы объяснить и решить таинственные асимметрии в квантовых взаимодействий. Чтобы пояснили, аксионы темной материи, следует принять относительно узком диапазоне масс и быть гораздо более вимпов, а значит, найти будет еще труднее. «Если мы не найдем вимпы, теоретики, просто сделает ставку аксионы», — говорит Питер Грэм, физик из Стэнфордского университета, который изучает аксионы и другие теоретики из форм темной материи.

Кроме того, вимпов и темных секторов, стерильных нейтрино и аксионов, есть и еще более экзотические возможности проявления темной материи, несмотря на то, что они встретились где-то в пути физики.

Черные дыры могут быть созданы вскоре после Большого Взрыва, могли бы объяснить скрытую массу Вселенной, но тогда пришлось бы существовать в таком изобилии, что, вероятно, уже открыли с помощью иных средств. Однако, на наш поиск, эти «первичные» черные дыры еще не были проведены достаточно тщательно, чтобы полностью удалить его учетную запись. Кроме того, темная материя может быть гиперпространственным след из частиц, которые проходят через скрытый соседа измерения — в том, что здесь имеются убедительные доказательства дополнительных измерений, что не происходит в резервуаре или в другой ускоритель.

Самый, подлый, жалкий, раздражающий вариант, что темная материя может быть в значительной степени иллюзия, тычет своим уродливым пальцем в наше понимание гравитации, завещенное Эйнштейн в общей теории относительности. Различные теории модифицированной гравитации», который предполагает, что сила эта слабеет, в определенных обстоятельствах, могут объяснить некоторые наблюдения темной материи и, особенно, динамику галактик, но не может включать в себя влияние темной материи в скоплении галактики (что видят астрономы) и послесвечение Большого Взрыва.

Тем не менее, физику терпеть не могут измененная Гравитация, по большей части потому, социологии науки, а не научный процесс. Она просто не очень хорошо выглядит в глазах физики элементарных частиц, — говорит Сабина Хоссенфельдер, физик-теоретик института Франкфурта в Германии. «Изобретение новых частиц-это хлеб для физических, так делают в течение всей жизни; очевидно, они выбирают этот вариант».

Независимо от того, как может быть предпочтительным кандидатом, самый большой страх врачей, которые сталкиваются с «темной материи», не в смысле, что эта концепция будет холодно или ошибочной — наблюдаемые свидетельства существования темной материи, которая не будет ставить. Нет, они обеспокоены тем, что личность темная материя может просто не быть в отношении других великих тайн физики, и поэтому не предлагает новых путей к пониманию истинной природы реальности.

«Мы хотим, что темная материя не только существует, но решил другим путем решения проблемы Стандартной модели», — говорит Джесси Талер, физик Массачусетского технологического института. — Нет, каждое новое открытие может стать настоящим открытием, как Хиггс, после того, как теория вдруг гораздо лучше, суммируются. Иногда новые частицы могут заставить вас дать: «Я не заказывал, чей это заказ?». Мы живем в мире, в котором каждое открытие ведет к более глубокой и более фундаментальной, открытия, или мы живем в мире, в котором некоторые части имеют рифму и смысл, а другие нет? Темная материя предлагает один из двух».

Физики усомнились в самом сердце тьмы
Илья Хель