Нахождение частицы, которая, как мы предполагаем, ответственна за темную материю, всегда было игрой в догадки. Мы угадали неправильно.
Нельзя злиться на команду за попытку невероятного, надеясь, что природа поможет. Некоторые из самых известных открытий всех времен были сделаны благодаря не более чем простой интуиции, и поэтому, если мы можем протестировать что-то по низкой цене с безумно высокой наградой, мы, как правило, делаем это. Хотите верьте, хотите нет, но это образ мышления, который движет прямыми поисками темной материи.
Чтобы понять, как найти темную материю, вы должны сначала понять, что мы знаем до сих пор, и на что указывают доказательства в отношении прямого обнаружения. Мы еще не нашли его, но это нормально. Отсутствие темной материи в ходе эксперимента не является доказательством того, что темной материи не существует. Все косвенные доказательства показывают, что это реально. Перед нами стоит вопрос, как продемонстрировать его реальность, возможно, найдя непосредственно ответственную за него частицу.
Давайте начнем с общего обзора темной материи: идея, мотивация, наблюдения, теория, а затем мы поговорим об охоте.
Идея Вы знаете основы: есть все протоны, нейтроны и электроны, из которых состоят наши тела, наша планета и все материя, с которой мы знакомы, а также некоторые фотоны (свет, излучение и т. д.), брошенные туда на всякий случай. Протоны и нейтроны могут быть разбиты на еще более фундаментальные частицы - кварки и глюоны - и вместе с другими частицами Стандартной модели составляют всю известную материю во Вселенной.
Большая идея темной материи заключается в том, что есть что-то еще, кроме этих известных частиц, которые вносят значительный вклад в общее количество материи во Вселенной. С чего бы нам так думать?
Мотивация Мы знаем, как работают звезды, и мы знаем, как работает гравитация. Если мы посмотрим на галактики, скопления галактик и дойдем до самых масштабных структур во Вселенной, мы можем экстраполировать две вещи. Первый: сколько массы содержится в этих структурах на каждом уровне. Мы смотрим на движение этих объектов, мы смотрим на законы гравитации, управляющие движением тел, на то, связано ли что-то или нет, как оно вращается, как формируется структура и т. быть там. Второе: мы знаем, как работают звезды, поэтому, пока мы можем измерить звездный свет, исходящий от этих объектов, мы можем знать, сколько массы содержится в звездах.
Эти два числа не совпадают, и они не совпадают явно. Должно быть что-то большее, чем просто звезды, ответственные за подавляющее большинство массы во Вселенной. Это верно для звезд внутри отдельных галактик всех размеров вплоть до крупнейших скоплений тысяч галактик во Вселенной.
Наблюдения Здесь становится весело, потому что их масса; Я остановлюсь только на трех. Когда мы экстраполируем законы физики на самые ранние времена существования Вселенной, мы обнаруживаем, что было не только такое раннее время, когда Вселенная была достаточно горячей, чтобы нейтральные атомы не могли образовываться, но было время, когда даже ядра не могли образоваться! Образование первых элементов во Вселенной после Большого Взрыва - из-за нуклеосинтеза Большого Взрыва - с очень и очень малыми ошибками говорит нам, сколько всего "нормального вещества" находится во Вселенной. Хотя ее значительно больше, чем в звездах, она составляет лишь одну шестую от общего количества вещества, которое, как мы знаем, там находится.
Особенно интересны флуктуации космического микроволнового фона. Они говорят нам, какая часть Вселенной находится в форме нормальной (протоны+нейтроны+электроны) материи, какая часть находится в излучении, а какая часть в ненормальной или темной материи, среди прочего. Опять же, они дают нам то же соотношение: эта темная материя составляет примерно пять шестых всей материи во Вселенной.
И, наконец, как формируется структура в самых больших масштабах. Это особенно важно, потому что мы можем не только увидеть соотношение нормальной и темной материи в величине колебаний на графике выше, но и сказать, что темная материя холодная или движется со скоростью ниже определенной, даже когда Вселенная очень молода. Эти знания приводят к выдающимся, точным теоретическим предсказаниям.
Теория Это говорит нам о том, что вокруг каждой галактики и скопления галактик должно быть очень большое рассеянное гало темной материи.. У этой темной материи практически не должно быть «столкновений» с нормальной материей - верхние пределы указывают на то, что потребуются световые годы твердого свинца для того, чтобы частица темной материи могла взаимодействовать 50/50 всего один раз темной материи должно быть много частицы материи проходят через Землю незамеченными, я и ты каждую секунду, и темная материя также не должна сталкиваться или взаимодействовать сама с собой, как это делает обычная материя.
Есть несколько косвенных способов обнаружить это: первый - изучить так называемое гравитационное линзирование.
Глядя на то, как фоновый свет искажается из-за наличия промежуточной массы (исключительно из законов общей теории относительности), мы можем реконструировать, сколько массы находится в этом объекте. Там должна быть темная материя, но, глядя на сталкивающиеся скопления галактик, мы узнаем нечто еще более глубокое.
Темная материя действительно проходит сквозь друг друга и составляет подавляющее большинство массы; обычная материя в форме газа создает удары (в рентгеновском/розовом цвете вверху) и составляет там только около 15% от общей массы. Другими словами, около пяти шестых этой массы составляет темная материя! Глядя на сталкивающиеся скопления галактик и следя за тем, как ведет себя как наблюдаемая материя, так и общая гравитационная масса, мы можем найти астрофизическое эмпирическое доказательство существования темной материи.
Но это косвенно; мы знаем, что с ним должна быть связана частица, и в этом вся суть охоты.
Охота Это большая надежда: на прямое обнаружение. Потому что мы не знаем, что находится за пределами стандартной модели - мы никогда не обнаруживали ни одной частицы, не охваченной ею - мы не знаем какими должны быть свойства частицы (или частиц) темной материи, должны выглядеть, или как найти это. Мы даже не знаем, является ли это чем-то одним или состоит из множества разных частиц.
Итак, мы смотрим на то, что мы могли бы обнаружить вместо этого, и смотрим туда. Мы можем искать взаимодействия вплоть до определенного сечения, но не ниже. Мы можем искать отдачу энергии вплоть до определенного минимума энергии, но не ниже. И в какой-то момент экспериментальные ограничения - природная радиоактивность, космические нейтроны, солнечные/космические нейтрино и т.д.- сделать невозможным выделение сигнала ниже определенного порога.
Короче говоря: последний эксперимент по непосредственному поиску темной материи не дал ее, по крайней мере, пока. Это история каждого эксперимента по прямому обнаружению, который когда-либо проводился, подтверждался и тщательно тестировался снова и снова.
И это нормально! Если темная материя не имеет определенной массы с определенным поперечным сечением взаимодействия, ни один из задуманных экспериментов ее не обнаружит. Это не означает, что темная материя не реальна, это просто означает, что темная материя - это нечто иное, чем то, для чего оптимизированы наши эксперименты.
Итак, мы продолжаем искать, мы продолжаем думать о новых возможностях того, чем это могло бы быть, и мы продолжаем думать о новых способах поиска этого. Вот что такое наука на границе. Лично я не ожидаю, что эти попытки прямого обнаружения будут успешными; мы колем в темноте, надеясь, что наткнемся на что-нибудь, и практически нет веских причин для того, чтобы темная материя находилась в этих диапазонах. Но это то, что мы могли видеть, поэтому мы идем на это. Если мы его найдем, Нобелевские премии и новые открытия в физике для всех, а если нет, то узнаем немного больше о том, чего нет в новой физике. Но точно так же, как вы не должны верить гиперсенсационным заявлениям о том, что темная материя была обнаружена напрямую, вы не должны верить тем, кто говорит, что «темной материи нет», потому что эксперимент по прямому обнаружению не удался.
Нам нужны самые фундаментальные вещи во Вселенной, и мы только недавно начали это понимать. Неудивительно, если поиск займет немного или даже намного больше времени. Тем временем путешествие за знаниями и пониманием того, что удерживает Вселенную вместе, продолжается.