Pojav temne snovi
Včasih se zdi, da se temna snov znanstvenikom maščeva za nepazljivost, s katero so njeno odkritje izpolnili pred več kot 80 leti. Nato je ameriški astronom švicarskega porekla Fritz Zwicky leta 1933 opazoval šeststo galaksij v grozdišču Koma, ki se nahaja 300 milijonov svetlobnih let od Mlečne poti, odkril, da je masa tega grozda, določena na podlagi hitrosti gibanja galaksij, 50-krat večja od mase izračunano z oceno svetilnosti zvezd.
Ker nima niti najmanjše predstave o tem, kaj je ta razlika v množičnosti, mu je dal zdaj že uradno opredelitev - temna snov.
Zelo dolgo je zelo malo ljudi zanimalo temno snov. Astronomi so verjeli, da se bo problem skrite mase rešil sam, ko bo mogoče zbrati popolnejše informacije o kozmičnem plinu in zelo bledih zvezdah. Razmere so se začele spreminjati šele, ko sta ameriški astronomi Vera Rubin in Kent Ford leta 1970 objavila rezultate meritev hitrosti zvezd in plinskih oblakov v veliki spiralni galaksiji M31 - meglici Andromeda. Glede na vsa pričakovanja se je izkazalo, da so te hitrosti daleč od njegovega središča približno konstantne, kar je nasprotovalo newtonski mehaniki in je bilo razloženo le ob predpostavki, da velika količina nevidne mase obdaja galaksijo.
Ko naletite na pojav, o katerem se nič ne ve, potem mu lahko pripišemo veliko razlag, ostalo pa je le, da jih razvrstite eno za drugim, zavračate neuporabne in si ob poti izmislite nove. Poleg tega ni dejstvo, da bo med vsemi temi razlagami točna. Neprimerno vedenje obrobnih zvezd bi lahko razložili s premikanjem v dveh smereh - z rahlim popravljanjem Newtonovih zakonov ali spoznanjem, da je na svetu materija, ki je drugačna od našega, ki je ne vidimo, ker delci, iz katerih je sestavljena, ne sodelujejo v elektromagnetni interakciji, torej ne oddajajo svetlobe in je ne absorbirajo, saj z našim svetom delujejo le s pomočjo gravitacije.
Ali se je Newton motil?
Prva smer, torej proti-newtonska korekcija, se je razvila precej počasi. Res je, da je izraelski teoretik Mordechai Milgrom leta 1983 ustvaril tako imenovano spremenjeno newtonsko mehaniko, v kateri majhni pospeški reagirajo na delujočo silo nekoliko drugače kot način, kako smo se učili v šoli. Ta teorija je našla veliko privržencev in je bila kmalu razvita do te mere, da je potreba po temni snovi izginila. Omeniti velja, da se je sama Vera Rubin, svetovno znana pionirka na področju raziskovanja temne snovi, vedno nagibala k spreminjanju Newtonovih zakonov - zdi se, da ji preprosto ni bila všeč ideja o snovi, ki je obilna, a je nihče ni videl.
Promocijski video:
Nedovoljeni wimp
Kandidatov za delce temne snovi je veliko, za večino pa obstaja posplošujoče in skoraj nesmiselno ime "WIMPs" - to je angleška kratica WIMP, ki izhaja iz izraza "šibko interaktivni masivni delci" ali "šibke interakcije masivnih delcev". Z drugimi besedami, to so delci, ki sodelujejo le v gravitacijskih in šibkih interakcijah - njen učinek sega na dimenzije, veliko manjše od dimenzij atomskega jedra. Danes so glavna prizadevanja znanstvenikov usmerjena v iskanje teh WIMP kot najbolj sugestivne razlage.
Detektorji WIMP, zlasti tisti, ki jih zajamejo za ksenon, so načeloma podobni nevtrinskim pasti. Nekoč je celo veljalo, da so nevtrini zelo izmuzni WIMP. Toda masa tega delca se je izkazala za premajhno - znano je, da je 84,5% vse snovi v vesolju temna snov in po izračunih na tej masi ne bo toliko nevtrinov.
Načelo je preprosto. Vzemite, recimo, ksenon kot najtežji plemeniti plin, ohlajen na dušikove temperature in po možnosti nižji, zaščiten pred nepotrebnimi "gosti", kot so kozmični žarki, okoli ksenonske posode je nameščenih veliko fotocelic, in ves ta sistem, ki se nahaja globoko pod zemljo, nadaljuje počakati. Ker morate čakati dolgo - po izračunih naj bi bila dolžina pasti s ksenonom, ki bo lahko s 50-odstotno verjetnostjo zajel WIMP, ki je šel skozi njo, 200 svetlobnih let!
V tem primeru je zajetje beg vimpa blizu ksenonovega atoma in polet na taki razdalji, na kateri šibka interakcija že deluje, ali neposreden zadetek v jedro. V prvem primeru bo zunanji elektron ksenonovega atoma izločen iz njegove orbite, kar bo zabeleženo s spremembo naboja, v drugem pa bo skočil na drugo raven in se takoj vrnil "domov" z naknadno oddajo fotona, ki jo nato registrirajo fotomultiplikatorji.
Občutek ali napaka?
Vendar pa "preprost" ni povsem prava beseda, če se uporablja za detektorje WIMP. Ni zelo enostavno in zelo drago. Eden od teh detektorjev pod nezapletenim imenom Xenon je bil nameščen v podzemnem italijanskem laboratoriju Gran Sasso. Do danes je bila dvakrat spremenjena in zdaj nosi ime Xenon1T. Temeljito se očisti nečistoč, ki lahko vodijo do signalov, podobnih signalom iz temne snovi. Na primer iz enega značilnih onesnaževal - radioaktivnega izotopa kripton-85. Vsebina v komercialnem ksenonu je le nekaj delov na milijon, toda pri iskanju WIMP-jev je povsem umazano. Zato fiziki, začenši z drugo modifikacijo naprave - Xenon100, dodatno očistijo ksenon in tako zmanjšajo koncentracijo onesnaževala na stotine delov na trilijone.
XENON100 detektor
Foto: Wikimedia Commons
In pri vklopu detektorja so seveda rekli dragoceno "pravkar". Med prvimi 100-dnevnimi opazovalnimi sestanki so znanstveniki zabeležili kar tri impulze, zelo podobne signalom iz letečih WIMP. Niso verjeli vase, čeprav so verjetno res hoteli verjeti, vendar je bilo to leto 2011, ki ga je že zaznamovala močna punkcija: fiziki so odkrili, da nevtrini, ki prihajajo na njih iz CERN-a med drugim poskusom, letijo s hitrostjo, ki presega svetlobno hitrost. Znanstveniki so se po preverjanju, kot kaže, vse, kar je mogoče le preveriti, obrnili na znanstveno skupnost z zahtevo, da vidijo, kaj gre narobe. Kolegi so se ozrli in niso mogli najti napak, češ, da to ne more biti, ker nikoli ne bi moglo biti. In tako se je zgodilo: punkcija, kot se je izkazalo, je bila le en priključek s slabim stikom, kar je bilo težko opaziti.
In zdaj, pod težo takšnega fiaska, so se znanstveniki ponovno soočili z izbiro. Če so to WIMPS, potem je to zagotovljena Nobelova nagrada in takojšnja. In če ne? Drugič niso hoteli biti nepošteni in začeli so preverjati in preverjati. Kot rezultat tega se je izkazalo, da sta dva od treh signalov morda parazitski signali iz atomov onesnaževal v ozadju, ki pa niso bili popolnoma izločeni. In preostali signal sploh ni zašel v nobeno statistiko, zato bi bilo najbolje, da na to pozabimo in se ne spomnimo več.
Detektor je videl "nič"
Še eno "skoraj" se je oglasilo, ko so predstavniki kolaboracije, ki delajo na najbolj občutljivem detektorju temne snovi LUX (Veliki podzemni ksenon), ki se nahaja v zapuščenem rudniku zlata v Južni Dakoti, sporočili, da so spremenili kalibracijo detektorja. Po tem so imeli upanje, ki meji na gotovost, da se bo dolgo pričakovano "pravkar" končno uresničilo. Detektor LUX, ki je bil od prvega dne svojega obstoja precej občutljivejši od italijanskega, je dvakrat občutljiv na hude WIMP in 20-krat občutljiv na pljuča.
LUX detektor
Foto: Veliki podzemni Xenon detektor
Med prvim 300-dnevnim opazovanjem, ki se je začelo poleti 2012 in se končalo aprila 2013, LUX ni videl ničesar, tudi tam, kjer bi lahko videl nekaj vsaj iz vljudnosti. Kot je dejal Daniel McKinsey, član sodelovanja pri LUX na univerzi Yale, "nismo videli ničesar, a smo videli to" nič "boljšega kot kdorkoli pred nami."
Zaradi tega "nič" je bilo več obetavnih različic naenkrat popolnoma zavrženih, zlasti v zvezi s "lahkimi" WIMP-ji. Kar ni prispevalo k sodelovanju simpatizerjev med tistimi, katerih različice je LUX zavrnil. Kolegi so jih napadli s celimi očitki zaradi nezmožnosti pravilno postavitve eksperimenta - reakcija je precej standardna in pričakovana.
Fiziki o masi WIMP ne vedo popolnoma nič - če sploh obstajajo. Zdaj iskanje poteka v masnem območju od 1 do 100 GeV (protonska masa je približno 1 GeV). Mnogi znanstveniki sanjajo o WIMP z maso sto protonov, saj delce s tako maso napoveduje supersimetrična teorija, ki v resnici še ni postala teorija, ampak je le zelo lep, a špekulativni model in ki mnogi napovedujejo usodo naslednika Standardnega modela. To bi bilo resnično darilo za podpornike supersimetrije, še posebej zdaj, ko poskus na velikem hadronskem trkalniku še ni zabeležil nobenega od delcev, ki jih je napovedoval.
Drugo opazovalno sejo na detektorju LUX, ki se bo končalo prihodnje leto, bi moralo zahvaljujoč že omenjenim kalibracijam resno povečati občutljivost detektorja in pomagati pri lovljenju zvodnikov različnih mas (prej je bil LUX nastavljen na največjo občutljivost okoli 34 GeV) in zaznaval njihove signale, kjer so jih prej prezrli. Z drugimi besedami, naslednje leto nas čaka še eno in zelo odločno "skorajda".
Če se to "skoraj" ne zgodi, potem je tudi v redu: naslednji LZ detektor, ki je veliko bolj občutljiv, je že pripravljen nadomestiti LUX. Začeli naj bi ga nekaj let pozneje. Hkrati kolaboracija DARWIN pripravlja "pošast" s kapaciteto 25 ton ksenona, pred katero se LUX s svojimi 370 kg plina zdi "slep" in neuporaben za karkoli. Tako je videti, da se wimpam - če obstajajo - preprosto ne bo nikjer skrival in slej ko prej se bodo počutili. Za to jim fiziki ne dajo več kot deset let.
Wimp ali wisp?
Če božači še naprej vztrajajo pri svoji neuglednosti, potem še vedno obstaja osovina, ki jo je treba tudi preganjati. Aksije so hipotetični delci, ki sta jih leta 1977 uvedla ameriška fizika Roberto Peccei in Helen Quinn, da bi se znebila kvantne kromodinamike nekaterih kršenja simetrije. To so pravzaprav tudi Wimpsi, ki spadajo v podkategorijo lažjih robčkov (Slabo vmešavajo tanki delci), vendar imajo eno posebnost: v močnem magnetnem polju morajo inducirati fotone, s katerimi jih je mogoče enostavno zaznati.
Danes malo ljudi zanima osi, in to ne samo zato, ker ljudje v njih ne verjamejo preveč, pa tudi ne zato, ker je njihova registracija povezana s kakšnimi posebnimi težavami, pač pa je, da je njihovo iskanje povezano s prevelikimi stroški. Da bi aksion začel pretvoriti virtualne fotone v prave, so potrebna zelo močna magnetna polja - zanimivo, magneti z zahtevanimi polji že obstajajo. Trg ponuja 18 Teslin magnetov, obstaja eksperimentalnih 32 Teslin magnetov, vendar so to zelo dragi stroji in jih ni enostavno dobiti. Poleg tega tisti, od katerih je odvisna financiranje takšnih raziskav, resnično ne verjamejo v resničnost obstoja osi. Morda bo nekega dne potrebo po iskanju osi spodbudilo te finančne težave in do takrat bodo magneti postali cenejši.
Kljub navidez neskončnemu in brezplodnemu zasledovanju WIMP-jev stvari dejansko grejo dobro. Za začetek morate izdelati najpreprostejšo in najbolj očitno različico - wimps. Ko jih bodo našli in bo njihova masa znana, bodo morali fiziki razmišljati o tem, kaj so ti WIMP - ali so res težki nevtralini, kvantni nabor superpartnerjev fotona, Z-bozona in Higgsovega bozona, kot zdaj predvideva večina fizikov, ali kaj podobnega - nekaj drugega. Če WIMP ne najdemo v celotni paleti možnih množic, bo treba razmisliti o drugih možnostih - na primer poiščite WIMP na druge načine. Na primer, če je to slavni majoranski fermion, ki je sam antidelec, potem bi se morali takšni fermioni uničiti, preleviti v sevanje in pustiti spomin o sebi v obliki presežka fotonov.
Če ne bo mogoče zaznati WIMP-jev, kar se dejansko zdi malo verjetno, bo mogoče podrobneje pogledati možnosti z modificirano Newtonovo mehaniko. Prav tako bo mogoče preveriti (še ni jasno, kako) povsem fantastično različico, povezano s sedmimi dodatnimi dimenzijami, ki jih predvideva teorija strun, ki so skrite pred nami, saj so zavite v kroglice velikosti Plancka. Po nekaterih modelih takšne večdimenzionalnosti gravitacijska sila prodira v vsako od teh dimenzij in je zato v našem tridimenzionalnem svetu tako šibka. Vendar to sproža možnost, da se temna snov skriva v teh zavitih dimenzijah in se manifestira le zahvaljujoč vseprisotni gravitaciji. Obstajajo tudi eksotične razlage temne snovi, povezane s topološkimi napakami kvantnih polj,ki nastane med velikim praskom, obstaja tudi hipoteza, ki temno snov razlaga z fraktalnostjo prostora-časa, in ni dvoma, da bodo po potrebi teoretični fiziki izmislili še kaj drugega, nič manj izvirnega. Najpomembnejše je, da na ta seznam dodate edino pravilno razlago.