Bu parçacıklar karanlık madde dünyasının kapısını açabilir
Dışarıda olduğunu biliyoruz. Evrendeki maddenin çoğunu oluşturur ve en görkemli özelliklerini şekillendirmek için gizli bir yerçekimi eli kullanır. Ancak, karanlık madde olarak adlandırılan gizemli kozmik mimarı ortaya çıkarmak için uzun vadeli çabalara rağmen, hala tespit edilmekten kaçınıyor.
Sayısız karanlık madde araştırmacısı, ana karanlık madde adaylarını yakalamak için onlarca yıl harcadı. Ancak karanlık maddeyle mücadeleleri, farklı yöntemlerde yeni bir girişim dalgasına yol açtı. Tek bir aday bulacak şekilde tasarlanmamışlardır, ancak karanlık maddenin, kendimizle paralel işleyen tamamen karanlık bir bölge olan bir dizi parçacık ve kuvvetten oluşma olasılığını kabul ederler.
Bu gizli alana yalnızca en zayıf iletişim girebilir: bu parçacıklar bilgiyi karanlıktan tanıdık maddi dünyaya iletebilir. Şu anki plan, bu aracıları takip etmektir, çünkü bu karanlık portallar yoluyla bilgi gönderirler ve diğer taraftaki evreni anlamak için onları dinleyebilirler. Irvine'deki California Üniversitesi'nden teorisyen Jonathan Feng, "Bu, problemler hakkında düşünme şeklimizde bir değişiklik ve aramaya yeni canlılık katıyor" dedi.
Karanlık madde hakkında bildiğimiz tüm bilgiler, büyük miktarda görünür kütle nedeniyle galaksinin dışındaki yıldızların beklenenden daha hızlı hareket ettiği gerçeğinden geliyor. Aslında, bu kadar hızlı bir hızda, gördüğümüz galaksiler uzun zaman önce parçalanmış olmalıydı. Bazı fizikçiler için, Einstein'ın yerçekimi yasasının yanlış olduğuna inanmak için yeterli neden var. Diğerleri, evreni bir arada yoğunlaştırarak, bir tür somut olmayan maddenin perde arkasında gizlenmesi gerektiğinde ısrar ediyor.
Zayıf WIMP
On yıllardır ana şüphe, büyük parçacıkların (WIMP) zayıf bir şekilde etkileşime girmesidir. Bu varsayımsal ağır parçacık, şaşırtıcı tesadüfü nedeniyle çekici: fizikçiler bugün erken evrende kaç tane ağır parçacığın hayatta kaldığını hesapladıklarında, aldıkları karanlık madde miktarı tam olarak bize açıklamamız gereken şeydi. Gözlem sayısı. Onların lehine olan bir başka nokta da, WIMP benzeri parçacıkların doğal olarak süper simetriden ortaya çıkmasıdır.Bu, Standart Modeldeki bazı küçük sorunları ortadan kaldırmak için tasarlanmış matematiksel olarak zarif bir teoridir.Bu bizim parçacıklar ve onların etkileşimleri hakkındaki anlayışımızdır. Açıklamak en iyisi.
Kısacası, WIMP çok ateşli bir aday gibi görünüyor, bu sadece bir sigara sorunu. Deneyciler için teori, yerçekimine ek olarak, WIMP'nin daha güçlü olan ancak yalnızca küçük bir mesafede çalışan zayıf nükleer kuvveti de hissedebileceğini öngörüyor. Bu, deneylerde geleneksel maddelerle etkileşime girmelerine izin verdi ve onları bulmak için dünya çapında bir yarış başlattı.
Bununla birlikte, bunların varlığına dair hiçbir işaret ve süpersimetri tarafından tahmin edilen bilinen herhangi bir parçacık için herhangi bir ağır parçacık ortağı belirtisi yoktur. Tabii ki, yine de görünebilirler, ancak en umut verici adayımız gerçekçi görünmüyor çünkü teorik temeli istikrarsız görünüyor Bu durum birçok genç karanlık madde arayanları ilginç bir duruma itmiştir. Yeni yön.
Jonathan Feng ve diğerlerinin önerdiği şey, karanlık maddenin tek bir parçacıktan değil, tam bir kombinasyondan oluşabileceğidir.Tüm bu maddeler, normal evrende hiçbir şeyin hissedemeyeceği karanlık bir güç aracılığıyla etkileşime girer. Bu karanlık bölgenin bileşenleri kendi atomlarını ve moleküllerini bile oluşturabilir, böylece yepyeni bir karanlık kimya dünyasının kapılarını açabilir.
Bu tuhaf görünebilir, ancak bu olasılığı değerlendirmek için iyi nedenler var. Sonuçta, sıradan maddenin gerçek bir parçacık çerçevesi içerdiğini düşünüyoruz, bu yüzden aynısının karanlık madde için de geçerli olduğunu varsayarsak, büyük bir mantıksal sıçramaya gerek yoktur. Daha da önemlisi, son yıllardaki garip gözlemler, karanlık gücün varlığına işaret ediyor, bu da karanlık maddenin WIMP araştırmacılarının düşündüğünden çok daha karmaşık olabileceğini gösteriyor.
İlk gözlem, galaksideki karanlık madde dağılımının WIMP modelinin tahmin ettiğinden daha tekdüze göründüğü yönündedir. Bu, karanlık madde parçacıklarının birbirlerine itici kuvvetler uygulayarak kendilerini ayırmaları olarak yorumlanabilir. Benzer bir ima edilen anormallik, Dünya üzerindeki parçacık deneylerinde de ortaya çıktı. En son 2016 yılında, Macaristan'daki bir nükleer fizik laboratuvarındaki araştırmacılar, bir berilyum atomunun bozunmasını keşfetti. Bu bozulma ancak yeni bir doğal kuvveti çağırarak gerçekleştirilebilir. Açıklama.
Karanlık bir alan olduğunu iddia etmek mümkün, ancak onu nasıl dolduracağına karar vermek tamamen başka bir mesele. California'daki Harvey Mudd Koleji'nden Brian Shuve: "Sonsuz sayıda karanlık alan olabileceğini tahmin edebiliriz." Neyse ki, bunu yapmamıza gerek yok. Feng, Schuff ve diğerleri, aramanın teorik tahminlerden ziyade veriler tarafından yönlendirilebileceğini fark ettiler. Karanlık bölge normal evren ile bilgi alışverişinde bulunabiliyorsa, bu nadir temas noktaları diğer taraftaki dünyayı aydınlatabilecek girişler haline gelecektir.
Açıklığa kavuşturmak için, uzay aracından geçebileceğiniz girişlerden bahsetmiyoruz. Chicago yakınlarındaki Fermilab'dan Gordan Krnjaic şunları söyledi: "Biz buna matematiksel portallar diyoruz." Bu portallar, parçacıkların karanlık kuvvetler ve normal madde parçacıkları arasındaki etkileşimi hissetmelerine izin veriyor. etki. En umut verici giriş türü, karanlık alan parçacıklarını standart modellerden birine dönüştürür. Neyse ki, karanlık bölgenin görünmezliği, bu tür girişlerin kapsamını büyük ölçüde azaltmamıza izin veriyor. Karanlık bölgenin bileşenleri yüksüz olmalı, bu parçacıklar yüklü parçacıklara dönüştürülemeyeceğinden ortadaki herhangi bir parçacık nötr parçacık olmalıdır.
karanlık insan
Bu karanlık ortamla etkileşime girme olasılığı en yüksek olan üç Standart Model parçacığı fotonlar (vektör portalı aracılığıyla), Higgs bozonları (skaler portal aracılığıyla) ve nötrinolardır (nötrino portalı aracılığıyla). Toronto Üniversitesi'nden teorisyen David Curtin, "Yeni parçacıklar varsa, bu portallar onları yaratmak ve tespit etmek için en iyi fırsatımızdır." Şimdi yapmamız gereken tek şey onların her hareketini izlemek.
Bu biraz zaman alabilir, ancak izleme çoktan başladı. Üçünden belki de en umut verici olanı, sıradan fotonları üretmek için tasarlanan sürecin bazen karanlık bir foton püskürttüğü vektör girişidir. Sıradan fotonlar gibi, böylesi bir parçacık çok toplayıcıdır: Yüklü herhangi bir şeyle etkileşime girer. Bu etkileşimlerin yoğunluğu da oldukça fazladır, yani onu arayacak pek çok yer vardır ve eğer varsa, onu görme şansımız yüksektir.
Ek olarak, karanlık fotonların normal fotonlara tamamen benzemesi gerekmez. Yalnızca çeşitli vektör bozonlarının (fotonların ait olduğu parçacık sınıfı) temsilcisidir ve karanlık bölgenin bir parçasını oluşturabilirler. California'daki Stanford Üniversitesi'nden Natalia Toro, "Bu birçok olasılıktan biri" dedi.
Toro, Virginia'daki Jefferson National Accelerator Facility'de birkaç yıldır karanlık fotonları bulmaya çalışan deneyler yaptı. Fotonlar üretmek için sabit bir hedefe yüksek yoğunluklu elektron demeti yayarlar, ara sıra karanlık bir foton üreteceklerini umarlar ve bu da bariz bozunmasıyla anlaşılır. Schuff da dahil olmak üzere diğerleri, Kaliforniya'nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'ndaki Babar deneyinden on yıllık verileri yeniden inceleyerek karanlık foton kanıtlarını aradılar ve elektronları antimadde emsalleriyle çarpıştı.
Şimdiye kadar bu iki çaba boşuna olsa da arayış hızlandı. Işınınız ne kadar güçlüyse, o kadar çok foton üretirsiniz ve karanlık foton oluşturma olasılığı o kadar artar. Bu, birkaç yeni yüksek yoğunluklu deneyin kullanmayı umduğu bir olasılıktır.
Ancak, İsviçre'nin Cenevre yakınlarındaki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda. Curtin ve ekibi fotonları iki dünya arasında bir köprü olarak kullanmadı, ancak Higgs parçacıklarını izlemek için farklı bir portal kullanmak istedi.
"LHC, karanlık Higgs bozonları üretiyor olabilir."
Higgs bozonu ve ilgili enerji alanı, diğer temel parçacıklara kütleler vermesiyle bilinir. Çok sayıda parçacığın bulunduğu karanlık bir bölgede, kaliteyi karanlık eşdeğerlerinden elde ettiklerini düşünmek mantıklıdır. Curtin, Higgs girişini doğru bir şekilde keşfetmenin en iyi yolunun çok sayıda Higgs bozonu oluşturmak olduğunu ve yapabileceğimiz tek şeyin en güçlü atomik hızlandırıcımızda olduğunu söyledi. Gerçekte, Curtin, Büyük Hadron Çarpıştırıcısının karanlık Higgs parçacıkları ürettiğine inanıyor. Bununla birlikte, normal Higgs parçacığı dedektörden kaçmadan önce bölünse de, karanlık Higgs parçacığının etkileşimden kaçınma eğilimi, ömrünün herhangi bir etki bırakmadan ayrılabilecek kadar uzun olabileceği anlamına gelir.
Bu uzun ömürlü parçacıkların varlığını zaten biliyoruz, bu nedenle karanlık bölgeden gelen yeni parçacıkların çürümeden önce uzun bir mesafe kat etmeyeceğine inanmak için hiçbir neden yok. Curtin, bulduğumuz uzun ömürlü parçacıkların karanlık Higgs parçacıkları veya karanlık bölgeden başka bir tür parçacık olabileceğini, karanlık Higgs parçacıklarıyla etkileşime girdiklerini söyledi. "Biliyorsunuz, tek yol uzun ömürlü parçacıkları bulmak ve özelliklerini incelemektir."
Bu pratik olmayan bir görev gibi görünüyor. Sonuçta, teoride, bu parçacıklar her yerde kaybolabilir. Ancak kozmolojik gözlemler sürelerine bir sınır koyuyor - yaklaşık 0.1 saniye, bu yüzden işin püf noktası, çarpışma noktasından hangi yöne hareket ederlerse etsinler, LHC'nin etrafındaki yeterince geniş bir alanı kaplamaktır. Bu nedenle, Curtin ve meslektaşları Büyük Hadron Çarpıştırıcısı üzerinde onları yakalamak için yeni bir dedektör önerdiler. Buna, İncil'de bir karakter olan Methuselah'ın adını taşıyan MATHUSLA adını verdiler.
Esasen, bu noktaya ulaşabilen herhangi bir parçacığı izlemek için tavana asılı dedektörlerle, ışın hattının üzerindeki büyük bir depoya eşdeğerdir. Curtin, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın Higgs bozonunun en az 10 katı üreteceği 2026'da hazır olabileceğini söyledi. Bu, karanlık Higgs parçacıkları dahil uzun ömürlü parçacıkları görmek için en iyi şansımız.
MATHUSLA ayrıca nötrinoların sağladığı üçüncü karanlık portalı da aydınlatabilir. Bilinen parçacıkların en küçük, en hafif ve en az bulaşıcı olanı olan nötrinolar ilginç görünmeyebilir. Ancak gerçekte gizemlerle doludurlar. Üç tür nötrino, isteğe bağlı olarak başka bir nötrinoya dönüştürülmekle kalmaz (bu süreç hala tam olarak anlaşılmamıştır), aynı zamanda kütleleri inanılmaz derecede hafiftir.
Bu gizemleri açıklamak için fizikçiler, diğer üç nötrinoya göre tanımlanması daha zor olan, daha ağır bir dördüncü "atıl" nötrino icat ettiler. Bu tür parçacıklar, nötrinonun girişi yoluyla normal maddeye dönüştürülebilen bir karanlık madde medyatörünün tüm özelliklerine sahiptir.
Sorun şu ki, fotonlar ve Higgs parçacıklarından farklı olarak, nötrinolar yalnızca kuvvetleri hissedebilir, ancak onları taşıyamaz. Bu, karanlık madde parçacıklarının etkisiz nötrinolarla etkileşime girmesine izin vermek için başka bir parçacık gerektiği anlamına gelir. Ancak bu, işleri daha karmaşık hale getirir. Bu, nötrino portalının neden büyük ölçüde göz ardı edildiğini açıklayabilir.
Geçtiğimiz birkaç yıl içinde, insanlar karanlık alanı keşfetmeye yeni yeni, inert nötrinolar aracılığıyla bizimle konuşmaya başladılar. Önerdikleri model umut vaat ediyor, ancak tembel trinoların kesin keşfine dayanıyor. Şu anda birkaç deney devam ediyor.Bu yılın başlarında, MiniBooNE adlı bir Fermilab deneyinden ipuçları manşetlere taşındı.
Bununla birlikte, bu tür maddeyi güvenilir bir şekilde üretmeye başlarsak, karanlık madde için uzun vadeli arayışımızda heyecan verici yeni ipuçları getireceklerdir. Feng şöyle dedi: "Örneğin, belirlediğimiz karanlık foton görünmez bir şekilde bozunuyorsa, bu onun karanlık maddeye dönüştüğü anlamına gelir. Bu bize karanlık maddenin karanlık fotondan daha hafif olduğunu söyleyecektir. Aniden, karanlık maddenin her şeyden daha hafif olduğunu biliyoruz. % 99.9 teorimiz. "
Hangi girişin (varsa) karanlık alanı açığa çıkaracağını söylemek zordur. Riverside, California Üniversitesi'nden Flip Tanedo, aslında bu soruyu sormanın bunu görmezden gelmek olduğunu söyledi: "'Bu en iyi aday' demeye cesaret edemememizin nedeni Artık öyle düşünmüyoruz. "
