Približno 80% vse snovi v kozmosu je oblike, ki je trenutni fiziki popolnoma neznana. Temu pravimo temna materija, saj najbolje znamo, da je… temna. Poskusi po vsem svetu poskušajo ujeti zamočen delček temne snovi v upanju, da ga razumejo, vendar so se doslej izpraznili.
Pred kratkim je skupina teoretikov predlagala nov način lova na temno snov z uporabo čudnih "delcev", imenovanih magnoni, imena, ki si ga nisem pravkar izmislil. Te drobne varane bi lahko skrivale celo bežne, lahke delce temne snovi iz skrivanja, pravijo teoretiki.
Uganka temne snovi
O temni materiji vemo vse vrste, z izjemo tistega, kar je.
Kljub temu, da ga ne moremo neposredno zaznati, opazimo dokaze temne snovi takoj, ko odpremo svoje teleskope v širše vesolje. Prvo razodetje, že v tridesetih letih prejšnjega stoletja, je prišlo z opazovanji galaksijskih grozdov, nekaterih največjih struktur v vesolju. Galaksije, ki so jih naselili, so se preprosto prehitro premikale, da bi jih lahko držale skupaj kot gručo. To je zato, ker skupna masa galaksij daje gravitacijsko lepilo, ki drži grozd skupaj - večja kot je masa, močnejše je lepilo. Super močno lepilo lahko drži skupaj tudi najhitreje premikajoče se galaksije. Vse hitreje in grozd bi se preprosto raztrgal.
Toda tam so grozdi že obstajali, v njih pa so se galaksije vrtele veliko hitreje, kot bi morale dati množici grozda. Nekaj je imelo dovolj gravitacijskega oprijema, da je držal grozde skupaj, vendar nekaj ni oddajalo ali vplivalo na svetlobo.
Ta skrivnost se je skozi desetletja ohranila nerešeno in v 70. letih prejšnjega stoletja je astronomka Vera Rubin na veliko povišala ante z opazovanjem zvezd v galaksijah. Ponovno se stvari premikajo prehitro: Glede na njihovo opaženo maso bi se morale galaksije v našem vesolju razkropiti pred milijardami let. Nekaj jih je držalo skupaj. Nekaj nevidnega.
Zgodba se ponavlja po vsem vesolju, tako v času kot v prostoru. Od najzgodnejše svetlobe od Velikega poka do največjih struktur v vesolju je tam nekaj čudnega.
Iskanje v temi
Tako je temne snovi zelo veliko - preprosto ne najdemo nobene druge sposobne hipoteze, ki bi pojasnila cunami podatkov v podporo njegovemu obstoju. Toda kaj je to? Najbolje ugibamo, da je temna snov nekakšen nov, eksotični delček, ki ga fizika doslej ni poznala. Na tej sliki temna snov preplavi vsako galaksijo. V bistvu je vidni del galaksije, gledan skozi zvezde in oblake plina in prahu, le majhen svetilnik, postavljen proti veliko večji, temnejši obali. Vsaka galaksija sedi znotraj velikega "halo", sestavljenega iz ziljonov na zilijonov delcev temne snovi.
Ti delci temne snovi trenutno tečejo po vaši sobi. Skozi vas tečejo. Neskončni dežni tuš o drobnih, nevidnih delcih temne snovi. Toda preprosto jih ne opazite. Ne vplivajo na svetlobo ali z nabiti delci. Izdelani ste iz nabitih delcev in ste zelo prijazni do svetlobe; ste nevidni za temno materijo in temna materija je za vas nevidna. Edini način, kako "vidimo" temno snov, je skozi gravitacijsko silo; gravitacija opazi vsako obliko snovi in energije v vesolju, temno ali ne, zato na največjih lestvicah opazujemo vpliv kombinirane mase vseh teh neštetih delcev. Ampak tukaj v svoji sobi? Nič.
Razen, če upamo, da obstaja še kakšen način, da temna snov vzajemno deluje z nami normalno materijo. Možno je, da delci temne snovi, ne glede na vrag, čutijo tudi šibko jedrsko silo - ki je odgovorna za radioaktivno razpadanje - in odpre novo okno v to skrito območje. Predstavljajte si, da zgradite velikanski detektor, samo veliko maso ne glede na element, ki ga imate na voljo. Skozi njo tečejo delci temne snovi, skoraj vsi pa so popolnoma neškodljivi. Toda včasih, z redkostjo, ki je odvisna od določenega modela temne snovi, mimoidoči delček s šibko jedrsko silo vzajemno deluje z enim od atomskih jeder elementov v detektorju, ki ga izloči iz mesta in naredi celotno maso detektorja želatina.
Vstopite v magnon
Ta eksperimentalna postavitev deluje le, če je delec temne snovi razmeroma težak, kar daje dovolj oomfe, da lahko izbije jedro v enem od redkih interakcij. Toda doslej nobeden od detektorjev temne snovi po vsem svetu ni videl sledi interakcije, tudi po letih in letih iskanja. Ker so se poskusi uveljavili, so počasne izključene dopustne lastnosti temne snovi. To ni nujno slabo; preprosto ne vemo, iz česa je temna snov, zato bolj ko bomo vedeli o tem, kaj ni, jasnejša je slika tega, kaj bi lahko bila.
Toda pomanjkanje rezultatov je lahko nekoliko zaskrbljujoče. Izključeni so najtežji kandidati za temno snov, in če je skrivnostni delček preveč lahek, ga v detektorjih nikoli ne bo videlo, kot so ga postavili. To je, če ni drugega načina, kako se temna snov lahko pogovarja z redno zadevo.
V nedavnem članku, objavljenem v spletnem časopisu arXiv s pred tiskom, fiziki podrobno opisujejo predlagano eksperimentalno postavitev, ki bi lahko opazila delce temne snovi v dejanju spreminjanja spina elektronov (če dejansko lahko to stori temna snov). Pri tej namestitvi je mogoče zaznati temno snov, tudi če je sumljivi delček zelo lahek. To lahko storite tako, da v materialu ustvarite tako imenovane magnone.
Pretvarjajte se, da imate kos materiala pri temperaturi absolutne nič. Vsi vrti - kot drobni drobni magneti - bodo vsi elektroni v tej snovi kazali v isto smer. Ko počasi zvišujete temperaturo, se bodo nekateri elektroni začeli prebujati, mahati okrog in naključno usmerjati svoje vrte v nasprotno smer. Višje kot boste dvignili temperaturo, več elektronov se zavrti - in vsak od teh utrinkov zmanjša magnetno jakost le za malenkost. Vsak od teh zavrtih vrtljajev povzroči tudi malo valovanja v energiji materiala, na te vijuganje pa je mogoče gledati kot na kvazi delček, ne kot pravi delček, ampak nekaj, kar lahko z matematiko opišete na ta način. Ti kvazi delci so znani kot "magnoni", verjetno zato, ker so kot drobni, luštni mali magneti.
Torej, če začnete s res hladnim materialom in dovolj temnih delcev udari v material in vrti nekaj vrtij, boste opazili magnone. Zaradi občutljivosti poskusa in narave interakcij lahko ta nastavitev zazna lahek delček temne snovi.
Se pravi, če obstaja.
Paul M. Sutter je astrofizik pri Državna univerza Ohio, gostitelj Vprašajte vesoljca in Vesoljski radioin avtorja Vaše mesto v vesolju.
