Για δεκαετίες, οι αστρονόμοι έχουν καταπιαστεί με την αδυναμία τους να αποκρυπτογραφήσουν το πιο σκοτεινό μυστικό του σύμπαντος: η ταυτότητα των περισσότερων της ύλης του.
Δεν είναι το ίδιο πράγμα όπως τη συνήθη ατομική ποικιλία της ύλης κοινού στη Γη. Τα άτομα ή μέρη τους - όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια - αποτελούν λιγότερο από το 17 τοις εκατό της μάζας στο σύμπαν. Όλα τα υπόλοιπα είναι "σκοτεινή" - αόρατο για τα μάτια και τα τηλεσκόπια, παρουσία της συμπεραίνεται από τη βαρυτική έλξη της πάνω στα αστέρια και οι γαλαξίες ( SN: 8/28/10, σ. 22. ). Το θέμα προφανώς μυστήριο αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια μερικών εξωτικών ειδών, αλλά οι προσπάθειές τους να παγιδεύσουν (σε υπόγειους ανιχνευτές) ή να τους (σε επιταχυντές σωματιδίων) έχουν παραχθεί απογοητευτικό αποτελέσματα: Μερικά πειράματα βρείτε συμβουλές τέτοιων σωματιδίων? Άλλοι βρίσκουν τίποτα.
Ωστόσο, παρά την απογοήτευση, οι φυσικοί προσφέρουν ένα μήνυμα ελπίδας. Με έναν κατακλυσμό των νέων δεδομένων που έχουν ήδη στο χέρι, και πιο συγκεκριμένα ανιχνευτές στα έργα, μαθαίνοντας την ταυτότητα της σκοτεινής ύλης μπορεί να είναι μόνο θέμα χρόνου.
"Η αίσθησή μου," λέει ο θεωρητικός φυσικός Katherine Freese, "είναι ότι είμαστε στην άκρη της ανακάλυψης του."
Με την ανακάλυψη αυτή, που σημαίνει άμεση ανίχνευση της ύπαρξης των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης, τον προσδιορισμό των ειδών και η μάζα τους και, στη συνέχεια, στην ιδανική περίπτωση, αναφέρονται για το πώς θα χωρέσει σε ευρύτερες θεωρίες φυσικοί »της ύλης και της ενέργειας. Και όπως αποδεικνύεται, οι τελευταίες ανατροπές στο σκοτάδι οικόπεδο θέμα δείχνουν ότι αυτά τα σωματίδια μπορεί να μην ταιριάζει όπου οι περισσότεροι ειδικοί ανέμεναν.
Δύο προβλήματα, ένα σωματίδιο
Η σκοτεινή ύλη δεν πρέπει να ταιριάζει σε κάποιον, όμως. Ενώ η ύπαρξη του έχει καθιερωθεί μόνο έμμεσα, μερικά εμπειρογνώμονες αμφιβάλλουν τώρα παρουσία της σε όλη την σύμπαν. Ήταν η πρώτη που προκύπτει πριν από 80 χρόνια, όταν ο αστρονόμος Fritz Caltech Zwicky παρατηρήσει ότι τα σμήνη των γαλαξιών συμπεριφέρονται παραδόξως - οι ταχύτητες των γαλαξιών κινούνται μέσα σε μια συστάδα δεν μπορεί να εξηγηθεί από τη βαρύτητα της ορατής μάζας.
Αργότερα, οι αστρονόμοι διαπίστωσαν ότι τα εξωτερικά άκρα των περισσότερων γαλαξιών περιστρέφεται πολύ πιο γρήγορα από ό, τι θα έπρεπε να, αν γαλαξίες περιέχουν μόνο ορατή ύλη. Επιπλέον αόρατο θέμα ήταν απαραίτητη για να εξηγήσει τις παρατηρήσεις αυτές, εκτός αν ο νόμος της βαρύτητας είχε κατά κάποιο τρόπο έχει καταργηθεί για μεγάλες αποστάσεις (μια προοπτική σοβαρά διασκέδασαν με ορισμένους ερευνητές, αλλά απορρίφθηκε από τους περισσότερους εμπειρογνώμονες). Περαιτέρω πειστικά στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη ήρθε το 2006, όταν οι παρατηρήσεις των συγκρουόμενων γαλαξιών έδειξαν ότι η συνηθισμένη ύλη δεν παρακολουθείτε με τη σοβαρότητα της σύγκρουσης συντρίμμια.
Όπως πρόσφατα, μερικές δεκαετίες πριν, πολλοί αστρονόμοι υποψία ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να είναι η συνηθισμένη ύλη συσσωμάτωμα σε lightless σφαίρες - μαζική συμπαγή αντικείμενα whimsically βαπτιστεί Μάχος. Οι μπάλες του σκότους θα μπορούσε να είναι "απέτυχε αστέρια" γνωστή ως καφέ νάνοι, ή, ενδεχομένως, τις μαύρες τρύπες. Ωστόσο, διάφορες μελέτες έδειξαν ότι Μάχος δεν θα μπορούσε να παρέχει αρκετή μάζα για να εξηγήσει τις γαλαξιακές τιμές σπιν. Πιο πιθανό, κάθε γαλαξίας είναι ενσωματωμένο σε ένα σύννεφο των υποατομικών μαζική, αόρατα σωματίδια, επειδή δεν αλληλεπιδρούν με το φως.
Για εκείνο το θέμα, δεν αλληλεπιδρούν με ένα μεγάλο μέρος τίποτα - ως εκ τούτου ονομασία τους ως ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζα, ή WIMPs. Αν υπάρχουν, δισεκατομμύρια από αυτά τα σωματίδια περνούν μέσα από εσάς κάθε δευτερόλεπτο, αλλά μόνο περίπου ένα ανά λεπτό κάνει αντίκτυπο ακόμη και ένα μόνο άτομο στο σώμα σας.
Ο ενθουσιασμός για τα WIMPs ως σκοτεινή ύλη υποψήφιοι ενισχύθηκε από τις προσπάθειες θεωρητικοί »για να ενώσει το θέμα, τη βαρύτητα και τις άλλες δυνάμεις σε ένα ενιαίο πακέτο μαθηματικού. Οι φυσικοί πρότεινε ότι κάθε θεμελιώδες σωματίδιο της ύλης, και κάθε βασική δύναμη-μεταφορά σωματιδίων, είχε μια «superparticle" ξάδελφος. Τέτοια σωματίδια θα ήταν πιο μαζική από τα συνηθισμένα τους συνεργάτες τους, ίσως απλώς η μάζα δικαίωμα να εξηγήσει την σκοτεινή ύλη στο διάστημα.
ΜΕΓΈΘΥΝΣΗ
Μέρος του ανιχνευτή LUX, αυτοί οι σωλήνες σχεδιάζονται σε φωτόνια αίσθηση που παράγεται όταν σωματίδια της σκοτεινής ύλης συγκρούονται με ένα πυρήνα ξένον. Το πείραμα έχει οριστεί να ξεκινήσει το 2013.
Carlos Faham
Εδώ ήταν ένα από τα αγαπημένα συμπτώσεις της επιστήμης: μια πιθανή λύση για ένα μυστήριο που προσφέρει επίσης μια εξήγηση για ένα άλλο μεγάλο μυστήριο. Με δύο ανεξάρτητες δικαιολογίες για να πιστεύει σε WIMPs, οι επιστήμονες και οι φορείς χρηματοδότησης θεωρείται ότι αξίζει τον κόπο να διεξάγει πειράματα για να αναζητήσετε τους.
Μια τέτοια στρατηγική αναζήτησης προτάθηκε στη δεκαετία του 1980 από Freese και οι συνεργάτες Andrzej Drukier και David Spergel. Αν οι γαλαξίες ζούσε σε ένα τεράστιο σύννεφο (γνωστό ως ένα φωτοστέφανο) από WIMPs, κάθε αστέρι μέσα σε ένα γαλαξία (και κάθε πλανήτη) θα συνθλίψει συνεχώς σε αυτά τα WIMPs ως γαλαξίας περιστρέφεται. Ο ήλιος, για παράδειγμα, ταξιδεύει κατά μήκος μιας σπειροειδούς βραχίονα του Γαλαξία μας προς αστερισμό του Κύκνου, το όργωμα με το σμήνος των WIMPs στο πέρασμά του ο τρόπος που ένα splatters παρμπρίζ αυτοκινήτων κουνούπια.
Παρά την απροθυμία των WIMPs να αλληλεπιδρούν με την κοινή ύλη, κάποια λίγα θα ήταν, καθιστώντας έτσι δυνατή την καταγραφή με την παρουσία τους ευαίσθητους ανιχνευτές. Αλλά παρμπρίζ splatter περισσότερα από τα κουνούπια. Πάρετε όλα τα είδη των σκνίπες και σκώροι και άλλα έντομα πεπλατυσμένη, καθώς, την ταυτότητά τους αποκωδικοποιηθεί από τις μουτζούρες στη γυάλινη επιφάνεια. Κατά τον ίδιο τρόπο, άλλα υποατομικά σωματίδια, όπως εκείνες που παράγονται από φυσική ραδιενέργεια, θα μπορούσε να ξεγελάσει τα WIMP ανιχνευτές. Freese και οι συνάδελφοί συνειδητοποίησα, όμως, ότι αυτές οι άλλες συγκρούσεις συμβαίνουν τυχαία. Συγκρούσεις με WIMPs θα είναι σε μια κορύφωση τον Ιούνιο, όπως η Γη κινείται στην ίδια κατεύθυνση όπως το ήλιο προς Cygnus, αλλά σε ένα ελάχιστο Δεκεμβρίου, όταν η Γη περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο κατά την αντίθετη κατεύθυνση. (Λιγότερες κουνούπια χτύπησε το παρμπρίζ σας όταν είστε δημιουργία αντιγράφων ασφαλείας από ό, τι όταν είστε οδήγηση προς τα εμπρός.)
Σίγουρα αρκετά, όταν ένα πείραμα που ονομάζεται DAMA, θαμμένο βαθιά κάτω από ένα ιταλικό βουνό, κοίταξε για σημάδια τέτοιων συγκρούσεων, διαπίστωσε περισσότερο το καλοκαίρι από ό, τι το χειμώνα. Αλλά η διαπίστωση αυτή έγινε δεκτή με σκεπτικισμό, όταν άλλα πειράματα απέτυχαν να το επιβεβαιώσετε. Πιο πρόσφατα, ένα πείραμα που ονομάζεται CoGeNT, σε ένα ορυχείο στη Μινεσότα, βρήκαν ίχνη διαφορά χειμώνα-καλοκαίρι ( SN: 6/4/11, σελ. 10. ). Αλλά ένας άλλος ανιχνευτής (CDMS ΙΙ), που λειτουργούν στο ίδιο ορυχείο στη Μινεσότα, έχει βρει κανένα ίχνος των WIMPs. Και ένα ακόμη πείραμα στο ιταλικό εργαστήριο (XENON100) βλέπει επίσης τίποτα. Η ανάλυση των 13 μηνών των δεδομένων »έχει αποφέρει κανένα αποδεικτικό στοιχείο για τη σκοτεινή ύλη αλληλεπιδράσεις," η ομάδα XENON100 ανέφερε πρόσφατα σε περιοδικό Physical Review Letters .
Σκούρο συμφιλίωση
Παρά τις προφανείς αντιφάσεις μεταξύ των σημερινών πειραμάτων, Freese, του Πανεπιστημίου του Michigan, πιστεύει στοιχεία για τα WIMPs θα προκύψουν τα επόμενα χρόνια.
"Υπάρχουν ανώμαλα αποτελέσματα, και προφανώς δεν μπορούν όλοι να έχουν δίκιο. Αλλά είμαι πρόβλεψη ότι μία από τις ανωμαλίες είναι σωστό και θα ξέρουμε πολύ σύντομα », είπε σε μια πρόσφατη συμπόσιο στο Raleigh, NC, υπό την αιγίδα του Συμβουλίου για την Πρόοδο της Επιστήμης γραφής.
Με την πρώτη ματιά, τα πειράματα φαίνεται δύσκολο να συμβιβαστεί: Όσοι βρουν τίποτα φαίνεται να δείχνουν ότι οι έρευνες αναφέρουν σημεία των WIMPs πρέπει να είναι λάθος. Όμως, μετά από περαιτέρω εξέταση, η απόδειξη κατά WIMPs δεν είναι αδιαμφισβήτητη. Για ένα πράγμα, Freese επισημαίνει, κάθε πείραμα χρησιμοποιεί ένα διαφορετικό υλικό για την ανίχνευση των WIMPs, έτσι ώστε οι συγκρίσεις μπορεί να είναι δύσκολη. Και άλλα θεωρητικά ζητήματα μπαίνουν στο παιχνίδι όταν συγκρίνεται ένα πείραμα με ένα άλλο, Freese λέει, όπως το αν η πιθανότητα μιας σύγκρουσης WIMP εξαρτάται από την στροφορμή του πυρήνα του ατόμου συγκρούεται με.
Πέρα από όλα αυτά, η τρέχουσα πειράματα πιέζουν το όριο της ευαισθησίας τους. Αυτό είναι φαίνεται να αποτελεί ένα ιδιαίτερα σημαντικό πρόβλημα - που επιδεινώνεται από τη συνειδητοποίηση ότι τα WIMPs δεν θα μπορούσε να κατέχει την ποσότητα της μάζας που οι ανιχνευτές έχουν σχεδιαστεί για να δούμε.
Το 1998, η πρώτη υποτίθεται WIMP παρατήρηση, από το πείραμα DAMA, πρότεινε ένα WIMP ζυγίζει περίπου 60 μάζες πρωτονίων, με βάση τις συγκρούσεις καταγράφονται με άτομα ιωδίου σε κρυστάλλους ιωδιούχου νατρίου του ανιχνευτή. Όταν άλλα πειράματα δεν βρήκαν κανένα σημάδι των WIMPs, πολλοί φυσικοί απέρριψε τα αποτελέσματα DAMA. Ωστόσο, περαιτέρω δεδομένα που συλλέγονται από την πιο προηγμένη Dama / LIBRA πείραμα συνεχίζουν να δείχνουν την Ιούνιος-Δεκέμβριος διαφορά - και με μια νέα συστροφή: Αναλύοντας συγκρούσεις με νάτριο και όχι ιώδιο προτείνει ένα πολύ ελαφρύτερο WIMP, ίσως μόνο από πέντε έως 10 μάζες πρωτονίων.
Αυτό δεν είναι αυτό που οι επιστήμονες περίμεναν. Αν και θεωρείται μια φορά τη δυνατότητα, όπως χαμηλές μάζες είχαν υποτίθεται ότι έχουν αποκλειστεί από αναζητήσεις επιταχυντή σωματιδίων.
«Η ιδέα ότι αυτή η περιοχή είναι πίσω είναι πραγματικά μια έκπληξη», λέει ο Freese. "Τα πειράματα πραγματικά έχουν σχεδιαστεί για την υψηλότερη μάζα περιοχή και όχι η χαμηλή μάζα περιοχή."
Με τη συνειδητοποίηση ότι τα WIMPs θα μπορούσαν να έχουν σχετικά χαμηλή μάζες, μπορεί να είναι δυνατό να συμβιβάσει τα ασυμβίβαστα μεταξύ των σημερινών WIMP-κυνήγι ανιχνευτές. «Έχει γίνει σαφές ότι το εύρος των δυνατοτήτων για τα ελαφρά WIMPs είναι πολύ μεγαλύτερο από ό, τι προηγουμένως εκτιμηθεί,« θεωρητικός Dan Hooper του Fermilab και οι συνεργάτες του γράφουν σε ένα πρόσφατο έγγραφο. Αλλά μικρής μάζας WIMPs ζουν στο περιθώριο του ποια είναι η τρέχουσα πειράματα είχαν σχεδιαστεί για να βρείτε. Καθιέρωση την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης WIMPs σίγουρα θα απαιτήσει περισσότερο ευαίσθητοι ανιχνευτές, ή νέες στρατηγικές ανιχνευτή.
Ένα πείραμα αναμένεται να παρέχει μεγαλύτερη ευαισθησία από τις προηγούμενες αναζητήσεις θα χρησιμοποιούν ένα συνδυασμό των υγρών και αερίων ξένον σε έναν ανιχνευτή που ονομάζεται LUX. Είναι προγραμματισμένη να ξεκινήσει τη συλλογή στοιχείων το 2013 σε βάθος 1,5 χιλιομέτρων στο Sanford υπόγειες ερευνητικές εγκαταστάσεις (πρώην ορυχείο Homestake) στη Νότια Ντακότα. Μία άλλη πολλά υποσχόμενη προσέγγιση είναι τώρα δοκιμάζεται στο Νότιο Πόλο από μια συνεργασία είναι γνωστή ως DM-Ice. Θα χρησιμοποιούν κρυστάλλους ιωδιούχου νατρίου, το ίδιο υλικό που χρησιμοποιείται στην ιταλική DAMA / LIBRA πείραμα. Η τοποθέτηση του ανιχνευτή πάνω από 2 χιλιόμετρα στα βάθη της Ανταρκτικής θα το προστατεύσει από τα περισσότερα από τα σωματίδια απατεώνα. Και επειδή είναι στο νότιο ημισφαίριο, η κορυφή WIMP ποσοστό θα πρέπει να αναμένεται το χειμώνα παρά το καλοκαίρι, έναν έλεγχο για το αν είναι η εποχή, και όχι την κατεύθυνση της Γης του ταξιδιού, που αντιπροσωπεύει για τις ιταλικές αποτελέσματα.
Παρόλα αυτά, μόνο μετρώντας περισσότερα χτυπήματα από το αναμενόμενο δεν είναι απόδειξη ότι τα συγκρουόμενα σωματίδια φτάνουν από την κατεύθυνση του Κύκνου. Ένα εντυπωσιακό WIMP ένα ατομικό πυρήνα στέλνει οπισθοχωρώντας προς την αντίθετη κατεύθυνση της διαδρομής άφιξη του WIMP του. Αλλά τρέχον μέτρο ανιχνευτές WIMP επιπτώσεις από τα σήματα εγγραφής, όπως λάμψεις φωτός ή μια μικρή αύξηση της θερμοκρασίας, την απόκτηση καμία πληροφορία σχετικά με την κατεύθυνση.
Με λίγη βοήθεια από τη βιολογία, όμως, ένας ανιχνευτής θα μπορούσε μελλοντικά να είναι σε θέση να παρακολουθεί την πορεία της οπισθοδρόμησης πυρήνα. Freese και συνεργάτες, συμπεριλαμβανομένων των γενετιστής του Χάρβαρντ George Εκκλησίας, πρότεινε πρόσφατα έναν ανιχνευτή με ενιαία σκέλη του DNA στο γενετικό μόριο κρέμεται από ένα στόχο το χρυσό. Αν τα σκέλη του DNA στρατηγικά τοποθετημένα, θα φέτες από ένα πυρήνα χρυσό ως πετά μακριά μετά από ένα WIMP επιπτώσεις ( SN:. 12/1/12, σ. 9 ). Αν η σειρά των δομικά στοιχεία του DNA (σε συντομογραφία Α, Τ, C και G) που είναι γνωστό, τα κομμάτια μπορούν να μετατεθούν μαζί για να καθορίσουν τη διαδρομή του οπισθοχωρώντας πυρήνα, κάτι σαν ξανασυναρμολογήσετε τις σελίδες ενός βιβλίου που είχε κοπεί σε μία συγκεκριμένη γωνία με ψαλίδια.
SUSY κάνει στην άκρη
Αν αυτά τα νέα πειράματα δημιουργούν μικρής μάζας ως WIMPs σκοτεινής ύλης, οι επιστήμονες δεν αμφιβάλλω ότι θα γιορτάσει την επιβεβαίωση ότι υπάρχουν WIMPs. Αλλά μάλλον θα θέλετε να προσκαλέσετε Alanis Morissette στην τελετή για να τραγουδήσει "δεν είναι ειρωνικό.« Διότι, εάν τα WIMPs αποδειχθεί ότι έχουν μια μικρή μάζα, ένα από τα βασικά κίνητρα για την αναζήτηση τους με τόσο ενθουσιασμό στην πρώτη θέση θα έχουν μια οφθαλμαπάτη.
Όλοι μαζί, οι περισσότεροι ειδικοί υποτίθεται ότι τα WIMPs θα είναι η superpartner από ένα συνηθισμένο σωματίδιο, όπως περιγράφεται από ένα θεωρητικό πλαίσιο που είναι γνωστή ως υπερσυμμετρία (SUSY αγάπη που ονομάζεται για συντομία). Όταν τα πειράματα του επιταχυντή απέτυχε να βρει χαμηλής μάζας υπερεταίροι, σκοτεινή ύλη κυνηγούς πήδηξε στο συμπέρασμα ότι τα WIMPs θα πρέπει να έχουν μεγαλύτερες μάζες. Αλλά WIMPs δεν πρέπει να είναι υπερεταίροι. Κάθε σωματίδιο που αλληλεπιδρά ασθενώς με την συνηθισμένη ύλη θα κάνει.
Σχεδιασμός πειραμάτων για να αναζητήσετε superpartner WIMPs μπορεί να οδήγησε τους φυσικούς λάθος δρόμο, και μπορεί να εξηγήσει γιατί τα σημερινά αποτελέσματα είναι τόσο συγκεχυμένη. Νέα ανιχνευτές, έχουν σχεδιαστεί χωρίς τον περιορισμό της πίστης στην SUSY, μπορεί να έχει καλύτερη τύχη επιδιώκουν περισσότερο κερδοσκοπικές δυνατότητες.
"Μπορείτε να καταργήσετε έναν περιορισμό από τη θεωρία σας," λέει η Freese, "και ένα ολόκληρο νέο κόσμο ανοίγει."
Δεν θα είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες έχουν αφήσει τις θεωρίες τους παραπλανήσει την ερμηνεία των παρατηρήσεων. Αρχαία αστρονόμοι δεν είχαν αντιληφθεί ότι η περιστροφή του γύρω από αστέρια στον ουρανό τη νύχτα ήταν παρατηρητική απόδειξη της περιστροφής της Γης - το βασιλεύοντας θεωρία έκρινε ότι η Γη ήταν ακίνητη. Albert Michelson πείραμα σκέψης του για την ανίχνευση του αιθέρα είχε αποτύχει - την επικρατούσα θεωρία ότι το φως που απαιτείται ένα αιθέριο μέσο τον τύφλωσε για την ανακάλυψή του ότι ο αιθέρας δεν υπήρχε.
Θεωρία είναι ωστόσο σημαντικό, φυσικά, στην καθοδήγηση του σχεδιασμού των πειραμάτων και στην ερμηνεία των αποτελεσμάτων τους. Αλλά, ως φίλος του Δαρβίνου Τόμας Χένρι Χάξλεϋ μια φορά επεσήμανε, μερικές φορές μια όμορφη θεωρία που σκοτώθηκε από ένα άσχημο γεγονός πειραματική. Είναι ο νόμος της επιστημονικής ζούγκλα. Έτσι, κάποια μέρα σύντομα, οι επιστήμονες μπορεί να χρειαστεί να θυσιάσουν την ομορφιά της SUSY στην υπόθεση της αναγνώρισης της σκοτεινής ύλης. Όποια και αν είναι το μεγαλύτερο μέρος της κοσμικής μάζας γίνεται, αργά ή γρήγορα earthbound επιστήμονες πρόκειται να το καταλάβω.
Siegfried Tom είναι ο πρώην αρχισυντάκτης του News Επιστήμης και χρησιμεύει ως ταμίας του Συμβουλίου για την Πρόοδο της Επιστήμης γραφής.
http://www.sciencenews.org/view/feature/id/347258/description/Light_in_the_Dark
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου