Tieto Odd 'Quasiparticles' mohli konečne odomknúť Dark Matter



Približne 80% všetkej hmoty vo vesmíre má formu, ktorá je pre súčasnú fyziku úplne neznáma. Nazývame to temnou hmotou, pretože ako najlepšie môžeme povedať, že je … temná. Pokusy po celom svete sa pokúšajú zachytiť túlavú časticu temnej hmoty v nádeji, že ju pochopia, ale zatiaľ sa stali prázdnymi.

Nedávno tím teoretikov navrhol nový spôsob, ako hľadať temnú hmotu pomocou podivných "častíc", nazývaných magnóny, čo som si nevymyslel. Tieto drobné vlnky by mohli prilákať aj prchavé, ľahké častice temnej hmoty z úkrytu, hovoria títo teoretici. [The 11 Biggest Unanswered Questions About Dark Matter]

Temná hmota puzzle

O tmavej hmote vieme všetky druhy vecí, s pozoruhodnou výnimkou toho, čo je.

Aj keď ju nemôžeme priamo zistiť, vidíme dôkazy o temnej hmote, hneď ako otvoríme naše ďalekohľady širšiemu vesmíru. Prvé zjavenie, ktoré sa odohralo v tridsiatych rokoch minulého storočia, sa uskutočnilo pozorovaním klastrov galaxií, niektorých z najväčších štruktúr vo vesmíre. Galaxie, ktoré ich obývali, sa jednoducho pohybovali príliš rýchlo, aby sa držali pohromade ako klaster. To preto, že kolektívna hmota galaxií dáva gravitačné lepidlo, ktoré drží klaster spolu – čím väčšia hmotnosť, tým silnejšie je lepidlo. Super-silné lepidlo môže držať pohromade aj najrýchlejšie sa pohybujúce galaxie. Akékoľvek rýchlejšie a klaster by sa jednoducho roztrhol.

Ale tam boli klastre, existujúce, s galaxiami bzučia okolo nich ďaleko rýchlejšie, než by mali dať hmotnosť klastra. Niečo malo dosť gravitačné uchopenie, aby sa zhluky držali pohromade, ale to, že niečo nevyžarovalo ani nespôsobilo interakciu so svetlom.

Toto tajomstvo pretrvávalo v priebehu desaťročí nevyriešené a v sedemdesiatych rokoch minulého storočia astronómka Vera Rubin veľkou mierou zvýšila ante pozorovaním hviezd v galaxiách. Ešte raz, veci sa pohybovali príliš rýchlo: Vzhľadom na ich pozorovanú hmotnosť by sa galaxie v našom vesmíre mali od seba pred miliardami rokov otáčať. Niečo ich držalo pohromade. Niečo neviditeľné. [11 Fascinating Facts About Our Milky Way Galaxy]

Príbeh sa opakuje po celom vesmíre, a to v čase aj priestore. Od najskoršieho svetla od Veľkého tresku po najväčšie štruktúry vo vesmíre je tam niečo funky.

Hľadanie v tme

Takže temná hmota je tam veľa – jednoducho nemôžeme nájsť žiadnu inú životaschopnú hypotézu, ktorá by vysvetlila tsunami dát na podporu jej existencie. Ale čo je to? Naším najlepším odhadom je, že temná hmota je nejaká nová, exotická častica, doteraz neznáma fyzike. Na tomto obrázku temná hmota zaplavuje každú galaxiu. V skutočnosti viditeľná časť galaxie, ako je vidieť z hviezd a oblakov plynu a prachu, je len malý maják postavený proti oveľa väčšiemu tmavšiemu pobrežiu. Každá galaxia sedí vo veľkom "halo" tvorenom zillions na zillions častíc temnej hmoty.

Tieto častice temnej hmoty teraz prúdia cez vašu izbu. Prechádzajú cez vás. Nekonečná dažďová sprcha o malé, neviditeľné častice temnej hmoty. Ale jednoducho si ich nevšimnete. Neinteragujú so svetlom ani s nabitými časticami. Tie sú vyrobené z nabitých častíc a ste veľmi priateľskí so svetlom; Vy ste neviditeľní pre temnú hmotu a temná hmota je pre vás neviditeľná. Jediný spôsob, ako „vidíme“ temnú hmotu, je gravitačná sila; gravitácia si všimne každú formu hmoty a energie vo vesmíre, tmavú alebo nie, takže na najväčších mierkach pozorujeme vplyv kombinovanej hmoty všetkých týchto nespočetných častíc. Ale tu vo vašej izbe? Nič.

Ak, dúfame, nie je nejaký iný spôsob, akým temná hmota spolupracuje s nami normálnou hmotou. Je možné, že častice temnej hmoty, bez ohľadu na to, čo to sakra je, tiež cítia slabú jadrovú silu – ktorá je zodpovedná za rádioaktívny rozklad – otvárajú nové okno do tejto skrytej oblasti. Predstavte si stavbu obrovského detektora, len veľkú hmotnosť akéhokoľvek prvku, ktorý máte po ruke. Temné častice cez ňu prúdia, takmer všetky sú neškodné. Ale niekedy, s raritou závisiacou od konkrétneho modelu temnej hmoty, prechádzajúca častica interaguje s jedným z atómových jadier prvkov v detektore cez slabú jadrovú silu, čím ju vyradí z miesta a vytvorí celú hmotu detektora chvieť.

Zadajte magnon

Toto experimentálne usporiadanie funguje len vtedy, ak je častica temnej hmoty relatívne ťažká, čo jej dáva dosť oomfy na vyradenie jadra v jednej z týchto zriedkavých interakcií. Zatiaľ však nikto z detektorov tmavej hmoty na svete nezaznamenal žiadne stopy interakcie, dokonca ani po rokoch a rokoch hľadania. Ako experimenty majú zem, pozdĺžne vlastnosti tmavej hmoty boli pomaly vylúčené. Toto nie je nevyhnutne zlá vec; jednoducho nevieme, z čoho je vyrobená temná hmota, takže čím viac vieme o tom, čo to nie je, tým jasnejší je obraz toho, čo by to mohlo byť.

Nedostatok výsledkov však môže byť trochu znepokojujúci. Najťažší kandidáti na temnú hmotu sú vylúčení, a ak je záhadná častica príliš svetlá, nikdy sa v detektoroch nevníma, keď sú práve teraz nastavené. To znamená, že ak nie je iný spôsob, ako by temná hmota mohla hovoriť s pravidelnou hmotou.

V nedávnom článku uverejnenom v predtlačovom on-line časopise arXiv, fyzici podrobne opisujú navrhované experimentálne usporiadanie, ktoré by mohlo objaviť časticu temnej hmoty v činení zmeny spinov elektrónov (ak to v skutočnosti môže robiť temná hmota). V tomto nastavení je možné detekovať tmavú hmotu, aj keď je podozrivá častica veľmi ľahká. Môže to urobiť vytvorením tzv. Magnónov v materiáli.

Predstierajte, že máte kus materiálu pri teplote absolútnej nuly. Všetky točenia – ako malé malé tyčové magnety – všetkých elektrónov v tejto veci budú smerovať rovnakým smerom. Ako pomaly zvyšujete teplotu, niektoré elektróny sa začnú prebúdzať, krútia sa a náhodne nasmerujú svoje otočenie v opačnom smere. Čím vyššia je teplota, tým viac elektrónov sa prevráti – a každá z týchto preklopení znižuje magnetickú silu len o kúsok. Každá z týchto prevrátených spinov tiež spôsobuje trochu zvlnenia v energii materiálu a tieto krivky sa dajú vnímať ako kvasipartikula, nie pravá častica, ale niečo, čo môžete takto matematicky opísať. Tieto quasiparticles sú známe ako "magnóny", pravdepodobne preto, že sú ako malé, roztomilé magnety.

Takže ak začnete s naozaj studeným materiálom a dosť častíc tmavej hmoty narazí na materiál a otočí sa okolo nich, budete pozorovať magnóny. Vďaka citlivosti experimentu a povahe interakcií môže toto nastavenie detekovať ľahkú časticu tmavej hmoty.

To znamená, ak existuje.

Paul M. Sutter je astrofyzik na Štátna univerzita v Ohiu, hostiteľ Opýtajte sa Spaceman a Vesmírne rádioa autor Vaše miesto vo vesmíre,