Новости общества

Физика уже заждалась своей давно запланированной встречи с будущим — снова и снова, снова и снова какие-то задерживается. Последние, наиболее чувствительных поисках частицы, из которых, как мы думаем, могла бы состоять темная материя — невидимая субстанция, на которую делает 85% массы в пространстве — ни к чему не привели. Вимпы (WIMP, слабо взаимодействующих массивных частиц), эти крошечные субатомные частицы, скрывают лучше, чем они думали физики, когда более 30 лет назад предсказали их существование. Или их не существует, что будет означать наше глубокое непонимание Вселенной. Многие ученые до сих пор тешит надежду, что обновленные версии экспериментов в поисках вимпов их, наконец, найдут. Другие сомневались в самом сердце тьмы и начать думать о том, что пора выбросить на свалку истории наши представления о темной материи.

Что бы темная материя не является, она не учитывается в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц, тщательно проверенной теории «почти всех», выкованной в 1970-х годах. Она объясняет все известные частицы и все известные силы, за исключением гравитации. Найти суть темной материи и осветить путь к более глубокому пониманию Вселенной — вот на что надеются физики. Ну или надеялись.

Вимпы должны были иметь гравитационную силу, которая указала, что на массу от одной до тысячи масс протона. Их единственная оставшаяся связь с известными нам мир, были бы слабые ядерные силы, которая сильнее гравитации, но они активны только на небольших расстояниях на уровне атомных ядер. Если они есть, вимпы, должны окружать нас, как невидимый туман, и их шансы взаимодействовать с обычным веществом настолько маленький, что такая частица могла пройти через свинец толщиной в световой год, и не поморщиться.

Однако экспериментаторы провели десятилетия, развития и эксплуатации детекторы вимпов. Их было много. CDEX, CDMS, Cogent, COUPP и CRESST — это только самые известные примеры, на букву C. Нежная работа по поиску всех слабых, редких и мимолетных взаимодействия вимпов с атомами требует изоляции и одиночества, так что большинство детекторов заняли пещеры, заброшенные шахты и другие подземные пространства.

Среди последних нулевых результатов поиска вимпов — провал эксперимента Large Underground Xenon (LUX). В его основе треть тонны жидкого ксенона, который хранится при температуре в -100 градусов по Цельсию внутри гигантского заполненного водой водоема, похоронен под полутора километров земли в Блэк-Хиллс в Южной Дакоте. Там, вдали от большинства источников шума, ученые провели более чем год времени в поисках вспышки, исходящие из ядра ксенона, в которые попадают вимпы. 21. июля они объявили, что не видели ни разу.

Следующее разочарование получил 5. августа, с самого мощного ускорителя частиц из всех когда-либо созданных: от Большого адронного коллайдера (БАК) в Женеве, Швейцария. В 2012. году, после обнаружения бозона Хиггса — долгожданный последней частицы Стандартной модели, который дает другой массы — многие теоретики считают что следующий громкий счет от БАК будет открыт, как Хиггс (или другие гипотетические частицы, а на него) помогает родиться вимпам и заполнить пространство. С весны 2015. года, ТАНК гонится за этих открытий, сталкивая протоны вместе в беспрецедентно высоких энергий по миллиардов в секунду. В начале две независимые команды экспериментаторов обнаружили аномалию в субатомных обломках, избыток энергии протонных столкновений, которые могут указать в направлении новой физики (возможно, рожденной вимпами или еще некоторыми экзотическими возможностями). Но вместо этого, когда БАК сломал больше протонов и собрал больше данных, аномалия просто испарилась, один раз только статистические случайно.

Вместе взятые, эти два нулю результат — как обоюдоострый меч для темной материи, для самого сердца тьмы. С одной стороны, новые границы вероятной массы темной материи и взаимодействия вимпов обеспечивают основу для детекторов нового поколения, которые также могут попытать счастья. С другой стороны, они исключают наиболее простой и удобный модель вимпов, подняв свежие страхи на тему того, что давно искомые частицы могут быть в пределах многолетних поисков.

Эдвард Колб, космолог из чикагского университета, в 1970-х годах помогли заложить основы для следующего поколения охотников за вимпами. Он объявил, 2010-е годы «десятилетием вимпа», но теперь признает, что поиск пошел не так, как было запланировано. «Сегодня мы в еще большей темноте, что темной материи, чем они были пять лет назад», говорит он. Большинство теоретиков отреагировали на отсутствие результатов, создание еще большего количества экзотических теория, которая может объяснить, в самом деле, почему вимпы избегать наших детекторов.

Есть, конечно, и другая возможность — вимпы просто не решение проблемы темной материи, которое мы должны искать. «Вимпы-либо, как простой, элегантный, убедительно объяснение сложного явления», — говорит Колб.

«У каждого сложного явления имеет простой, элегантный, убедительно объяснение, что это просто неправильно».

В поисках чуда

Охотники за вимпами согласен, что только искали не достаточно хорошо, говорит представитель LUX Ричард Гейтскелл. Из-за неопределенности в отношении точной массы и силы взаимодействия этих неуловимых частиц, область поиска вимпов охватывает восемь порядков. Если вимпы очень массивная, в пространстве вашего кулака может быть один-два вимпа в данный момент; если слишком легко, миллиарды проходят через вас ежесекундно. Создание детекторов, которые одобрили бы этот широкий диапазон, как и создание сети для ловли рыбы, некоторые из которых будут размером с эритроцит, а другой — с город.

Гейтскелл и другие охотники за вимпами делают ставки, что детекторы больше даст лучшие результаты, и есть планы для нового поколения экспериментов с значительно большими размерами и светочувствительности. «Я начал искать 28 лет, используя 10-граммовый детектор», говорит Гейтскелл. «Сегодня мы используем детектор с третьего тонн жидкого ксенона. В ближайшие 10-15 лет он будет расти до 100 тонн».

В отсутствии реальных эмпирических доказательств вимпов, в течение многих лет поисков он держал один очень убедительный теоретический аргумент в пользу их существования. Физики называют его «чудо вимпа». Это чудо покоится на двух спекулятивных ногах.

Первая нога тянется назад, в первые минуты космического времени. Непосредственная экстраполяция Стандартной модели, до этого приштине время предполагается, что вимпы должны рождаться в большом количестве в плотной горячей плазме, которая заполнила Вселенную сразу после Большого Взрыва. Большинство из этих випов должны были столкнуться друг с другом и аннигилировать, породив обычные частицы. Этот процесс постепенно ослабевал по мере расширения и охлаждения Вселенной, оставляя после себя «реликтовую» население холодно и медленно вимпов. Добавить известную силу слабого взаимодействия, которая опосредует этот процесс, и вы будете в состоянии рассчитать, сколько просроченных вимпов должна, что есть сегодня. Ответ: примерно в пять раз больше, чем обычной материи. Это прекрасно совпадает с обилием наблюдаемой темной материи.

Вторая нога чудеса связывает вимпы с современной массы бозона Хиггса. БАК измерить бозон Хиггса и показал, что в 130 раз тяжелее протона, а это означает, что Хиггс был одним из самых массивных из известных частиц. Но принципы квантовой механики указывают на то, что масса бозона Хиггса должна быть небезопасно, и в сотрудничестве с известными частицами будет расти в триллионы раз, а то и больше. Если только ее нестабильный рост как-то не отменяет или не сбалансированная новой, пока не впускать массового фундаментального частиц. Эти частицы были сигнатурным прогноз суперсимметрии, популярного расширения Стандартной модели, который соответствует теоретической пустоты, снабжая каждую частицу «суперпартнером». Многие теории суперсимметрии предсказывают, что самый простой суперпартнер должна быть стабильной, нейтральной, слабо взаимодействующих частиц — как вимп. Эту неуловимую частицу искал БАК — и не нашел — в течение последних месяцев работы.

«Интересно, как эти две совершенно отдельные линии доказательство того, сливаются и говорят, что эти частицы могут быть, хотел, чтобы определить количество темной материи», говорит Нил Вайнер, теоретик темной материи в Нью-Йоркском университете. «Это чудо вимпа».

В последние несколько лет, однако, теоретики стали говорить о том, что вимпы не так чудесны, что казалось. В 2008 году. году Джонатан Фэн-и Джейсон Кумар из университета Калифорнии в Ирвине показали, что суперсимметрия также может произвести гипотетически класс частиц, которые будет намного легче и будет взаимодействовать слабее, чем вимпы. «Эти частицы приводят к одного и того же количества темной материи, чем мы видим сегодня, но не вимпам», сказал Фэн. «Это нарушает наши предположения, потому что, теоретически, все так же хорошо мотивированы. Мы называем это безвимповым чудо».

Рушится теоретические основы простых моделей вимпов и растущий список неудач детектора привели фэн-а и многих других, на мысли о том, что вимпы являются частью гораздо более сложные изображения: совершенно новый скрытые области Космоса, наполненный множеством видов темных частиц, взаимодействующих между собой с помощью множества темных сил, обмениваясь темных зарядами, через всплески темноты на свет. Потому что они предлагают теоретикам гораздо больше переменных, с которыми вы можете экспериментировать, такие модели «темного сектора» могут быть согласованы и введены в узкую смирительную рубашку фактов, которые выливаются из последних результатов поиска темной материи.

Недостатком является то, что эта расползающаяся гибкость усложняет окончательную проверку. «С темными сектор вы можете выдумывать все, что угодно, — говорит Дэвид Шпергель, астрофизик из Принстонского университета. — Теперь, когда мы потеряли путеводную нить чудо вимпа, пространство доступных моделей огромен. Это площадка, на которой мы просто не знаем, куда идти; нам нужно больше намеков от природы, куда двигаться дальше».

Может быть, мы только оцарапали поверхность все разнообразие частиц и сил в природе, ориентируясь только на кварках, фотонах, и тому подобных, потому что они были хорошо знакомы и доступны для нас. В этом случае, мы, как «пьяного, который ищет потерянные ключи только под фонарями, потому что существует свет», говорит Вайнер. «Есть сценарии, которые мы просто не можем проверить с помощью наших современных технологий. С другой стороны, если вы творческая личность, вы сможете создавать новые фонарные столбы».

Темные лошади

От всех других светил, что известно на данный момент, очень немногие отвечают теоретиков. Как и вимпы, некоторые альтернативные кандидаты на темную материю также есть убедительные теоретические основы. Их относительная неизвестно, говорят некоторые, частично обусловлено тем, что они не так 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 призрак, слабо взаимодействующих частиц нейтрино есть три «аромата» и имеют массу. Три сорта нейтрино не достаточно массивная, чтобы объяснить темную материю, но из-за присутствия массы они также открывают возможность существования четвертого крупных, так называемых «стерильных нейтрино».

«Почти все механизмы генерации массы нейтрино требуют существование стерильных нейтрино, и было бы очень легко объяснить некоторыми из этих стерильных нейтрино, на самом деле, темную материю», — говорит Геворк Абазаджян, физик из университета Калифорнии в Ирвине. Но никто никогда не нашел, стерильные нейтрино, даже самых чувствительных попытки, которые предпринимала нейтринная обсерватория Icecube в Антарктиде. О своей безуспешности она сообщила в конце августа.

Другие долгосрочные dark horse среди кандидатов на темную материю — это аксион, гипотетически слабо взаимодействующая частица, возникла в 1977 году. году, чтобы объяснить и решить таинственный асимметрия в квантовых взаимодействий. Что аксионы объяснили, темную материю, они должны были занять сравнительно узкий диапазон масс и, что гораздо легче вимпов, а это значит, что обнаружить их было бы еще сложнее. «Если мы не нашли вимпы теоретики только сделают ставку на аксионы», говорит Питер Грэм, физик Стэнфордского университета, которая изучает аксионы и другие теоретические параметры темной материи.

Кроме вимпов и темных секторов, стерильные нейтрино и аксионов, есть и еще более экзотические возможности проявления темной материи, хотя они и собрались где-то на задворках физики.

Черные дыры, которые могут быть созданы вскоре после Большого Взрыва, мог объяснить скрытую массу Вселенной, но тогда должны были бы существовать в таком изобилии, что мы, вероятно, уже обнаружили, что их с помощью других средств. Тем не менее, наши поиски этих «основных» черных дыр до сих пор не проводилось достаточно тщательно, чтобы полностью списать их со счетов. Как альтернатива, темная материя может быть гиперпространственным отпечатков частиц, которые проходят через скрытое соседнее измерение — только здесь нет никаких убедительных доказательств, дополнительных измерений не возник на Резервуаре или на другом ускорителе.

Наиболее феи, отвратительный, раздражающий вариант заключается в том, что темная материя может быть в большей части иллюзия, которая тычет своим уродливым пальцем в наше понимание гравитации, завещенное Эйнштейн в своей общей теории относительности. Различные теории «модифицированной гравитации», которые указывают на то, что эта сила слабеет при определенных обстоятельствах, может объяснить некоторые наблюдения темной материи, в частности, динамику галактики, но не могут позволить влияние темной материи в галактических кластеров (которые видят астрономы) и послесвечение Большого Взрыва.

Тем не менее, физики терпеть не могут, что изменение силы тяжести, по большей части из-за социологии ученых, а не самого научного процесса. Она просто выглядит не очень красиво в глазах физиков элементарных частиц, говорит Сабина Хоссенфельдер, теоретик из Франкфурт-института в Германии. «Изобретение новых частиц — это хлеб физиков, они делают это всю жизнь; очевидно, они любят такой вариант».

Независимо от того, как может быть, что нужный кандидат, самый большой страх физиков, сталкиваются с темной материей, не в том, что эта концепция будет нерабочей или неправильные — наблюдаемые доказательства существования темной материи никуда не деть. Нет, они были обеспокоены тем, что личность темной материи может просто не иметь связи с другими великими дарами физики, и, следовательно, не ищет новые пути к пониманию истинной природы реальности.

«Я хочу, что темная материя не только существует, но и решила других нерешенных проблем Стандартной модели, — говорит Джесси Талер, физик Массачусетского технологического института. — Не каждое новое открытие может быть откровение, как Хиггс, после чего теории вдруг гораздо лучше поставить вместе. Иногда новые частицы могут вас выдать: «Я это не заказывал, чей заказ?». Мы живем в мире, в котором любое открытие приводит к более глубокие и более фундаментальные 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 сердце тьмы
Илья Хель