Fiziki, ki lovijo nevidno roko, ki oblikuje naše vesolje in galaksije v njem, so svoj pogled usmerili v temno stran. Konkretno, ena ekipa gleda za vsako kozmično skalo za tako imenovane temne fotone, ki bi lahko prenašali prej neznano silo narave.
Ti fotoni bi posredovali medsebojno delovanje med normalno materijo in nevidnimi stvarmi, imenovanimi temna snov.
Toda znanstveniki že dolgo razumejo, da se narava raztegne in potegne ter razbije in raztrga štiri štiri znane sile, kako bi se lahko druga sila skrivala pred nami tako dolgo? Te štiri znane sile so temelj našega vsakdanjega obstoja: tiranska, a kratkotrajna močna jedrska sila, ki veže atomska jedra skupaj; prikrita in tiho šibka jedrska sila, ki nadzoruje radioaktivno razpadanje in se pogovarja s subatomskimi delci, imenovanimi nevtrini; drzna in svetla elektromagnetna sila, ki dominira v našem življenju; in subtilna gravitacijska sila, daleč najšibkejša od kvarteta.
S pomočjo štirih temeljnih sil so fiziki sposobni naslikati portret našega subatomskega in makroskopskega sveta. Ni interakcije, ki ne bi vključevala enega od teh štirih znakov. In vendar še vedno obstajajo skrivnosti glede interakcij v našem vesolju, zlasti na največjih lestvicah. Ko pomanjšamo na lestvice galaksij in širše, se zgodi nekaj ribjega in temu ribniku damo ime temna snov.
Je temna materija preprosta in brez vonja ali pa skriva množico prej neznanih sil v svojih sklopkah? Zdaj je mednarodna skupina fizikov, ki opisujejo svoje delo na spletu v reviji za tisk arXiv, uporabila smetišče podatkov z Velikega hadronskega trkalnika - največjega drobilca atomov na svetu -, da bi iskala takšno silo. Za zdaj je njihovo iskanje postalo prazno - kar je dobro (nekako): pomeni, da še vedno veljajo naši znani zakoni fizike. Ampak še vedno ne moremo razložiti temne snovi.
Izgubljeni v temi
Temna snov je hipotetična oblika snovi, za katero naj bi znašalo približno 80% celotne mase vesolja. To je nekako velika stvar. V resnici ne vemo, kaj je odgovorno za vse te dodatne nevidne stvari, vendar vemo, da obstaja, naš največji namig pa je gravitacija. S preučevanjem premikov zvezd znotraj galaksij in galaksij znotraj grozdov, skupaj z evolucijo največjih struktur v kozmosu, so astronomi skoraj na splošno prišli do zaključka, da se galaktično oko ne sreča več.
Boljše ime za temno snov je lahko nevidna materija. Čeprav lahko to sklepamo iz njegovega gravitacijskega vpliva (ker nič ne uide vsevidnemu očesu Alberta Einsteina), temna snov preprosto ne deluje s svetlobo. To vemo, ker če bi temna snov vplivala na svetlobo (ali vsaj, če bi s svetlobo delovala na način, kot to pozna znana snov), bi skrivnostno snov že videli. Kolikor lahko rečemo, temna snov - ne glede na vraga - ne absorbira svetlobe, odbija svetlobe, lomi svetlobe, ne širi svetlobe in ne oddaja svetlobe. Za temno snov je svetloba preprosto persona non grata; morda celo ne obstaja.
In tako obstaja velika verjetnost, da legije delcev temne snovi trenutno tečejo po vašem telesu. Kombinirana masa tega neskončnega toka lahko z gravitacijskim vplivom oblikuje usode galaksij, vendar gre skozi normalno snov, ne da bi se pozdravila. Hudo, vem, ampak to je temna zadeva zate.
Prinaša luč
Ker ne vemo, iz česa je temna snov, lahko oblikujemo vse vrste scenarijev, tako vsakdanje kot čudovite. Najpreprostejša slika temne snovi pravi, da je velika in osnovna. Da, sestavlja veliko večino vesoljske mase, vendar je sestavljen iz le enega samega, zelo plodnega delca, ki ne dela nič drugega kot maso. To pomeni, da se material lahko pokaže z gravitacijo, sicer pa nikoli ne deluje v nobeni drugi sili. Nikoli ne bomo ugledali temne snovi, ki bi počela kaj drugega.
Izmišljeni scenariji so bolj zabavni.
Ko se teoretiki dolgočasijo, si pripravijo ideje, kaj bi lahko bila temna snov in še pomembneje, kako bi jo lahko zaznali. Naslednja stopnja na lestvici zanimivih teorij temne snovi pravi, da se lahko snov občasno pogovarja z normalno snovjo prek šibke jedrske sile. Ta ideja danes motivira eksperimente in detektorje temne snovi po vsem svetu.
A kljub temu ta scenarij predvideva, da so še vedno le štiri sile narave. Če je temna snov prej nevidna vrsta delcev, potem je povsem smiselno predlagati (ker nimamo pojma, ali imamo prav ali ne), da gre za pakiranje s prej neznano silo narave - ali morda par, kdo ve ? Ta potencialna sila lahko pusti temni snovi, da govori samo s temno snovjo, ali pa lahko preplete temno snov in temno energijo (česar tudi mi ne razumemo) ali pa odpre nov komunikacijski kanal med običajnim in temnim sektorjem našega vesolja .
Vzpon temnega fotona
En predlagani komunikacijski portal med svetlo in temno sfero je nekaj, kar imenujemo temen foton, analogen znanemu (svetlobnemu) fotonu elektromagnetne sile. Temnih fotonov ne vidimo neposredno ali okusimo ali vonjamo, ampak se lahko prepletajo z našim svetom. V tem scenariju temna snov oddaja temne fotone, ki so relativno masivni delci. To pomeni, da imajo učinke le na kratkem območju, kar je za razliko od njihovih svetlobnih sistemov. Toda občasno bi lahko temni foton medsebojno vplival z navadnim fotonom, spreminjal svojo energijo in pot.
To bi bil zelo redek dogodek; v nasprotnem primeru bi že zdavnaj opazili, da se z elektromagnetizmom dogaja nekaj fajn.
Torej tudi pri temnih fotonih ne bi mogli neposredno videti temne snovi, ampak bi lahko izžarevali obstoj temnih fotonov s preučevanjem žarkov elektromagnetnih interakcij. V majhnem delu teh gob bi lahko temen foton "ukradel" energijo iz navadnega fotona, če bi komuniciral z njim.
Toda kot sem rekel, potrebujemo interakcije. Tako se zgodi, da smo zgradili velikanske stroje znanosti, da bi ustvarili točno to, zato imamo srečo.
V prispevku arXiv so fiziki poročali o svojih rezultatih, ko so pregledali triletne podatke iz Super Proton Synchrotron, drugega največjega pospeševalca delcev v CERN-u. Za ta eksperiment so znanstveniki razbili protone ob subatomskem ekvivalentu opečne stene in si ogledali vse koščke v nadaljevanju.
V razbitinah so raziskovalci našli elektrone - veliko jih je. V treh letih so znanstveniki šteli več kot 20 milijard elektronov z energijo nad 100 GeV. Ker so elektroni nabiti delci in radi medsebojno delujejo, so visokoenergijski elektroni v tem poskusu sprožili tudi veliko fotonov. Če obstajajo temni fotoni, bi morali včasih komunicirati in ukrasti energijo iz enega od običajnih fotonov, kar bi se v poskusu pokazalo kot pomanjkanje svetlobe.
Iskanje temnih fotonov se je pojavilo prazno - vsi normalni fotoni so bili prisotni in upoštevani - vendar to ne izključuje popolnoma obstoja temnih fotonov. Namesto tega postavlja meje dovoljenih lastnosti teh delcev. Če obstajajo, bi imeli nizko energijo (manj kot GeV, na podlagi rezultatov poskusa) in bi le redko posegali v običajne fotone.
Iskanje temnih fotonov pa se nadaljuje, s prihodnjimi poskusi, ki so jih domačini še bolj nadaljevali na tem predlaganem bitju subatomskega sveta.
Preberite več: "Iskanje temnih snovi v manjkajočih energetskih dogodkih z NA64"
Paul M. Sutter je astrofizik pri Državna univerza Ohio, gostitelj "Vprašajte vesoljca" in "Vesoljski radio, "in avtor"Vaše mesto v vesolju."
