Физики усомнились в самом сердце тьмы

Физики ждут его теперь свидание с будущим — снова и снова, снова и снова кто-то опаздывает. Последними, наиболее чувствительными поиск частиц, из которых, как мы думаем, может состоять из темной материи, невидимого вещества, на долю которых приходится 85% массы в пространстве — ни к чему не привели. Вимпы (WIMP, слабо взаимодействующих массивных частиц), эти крошечные субатомные частицы, прячутся лучше, чем думали физики, когда более 30 лет назад предсказывали их существование. Или их не существует, что будет означать наше глубокое непонимание Вселенной. Многие ученые все еще питают надежду, что обновленные версии экспериментов по поиску вимпов их, наконец, найдут. Другие имеют установленный в сердце тьмы, и они начинают думать, что пора выбросить на свалку истории наши представления о материи.

Темной материи, которая не учитывается в Стандартной модели физики элементарных частиц, тщательно проверенной теории «почти все», выкованный в 1970-х годах. Объясняет все известные частицы, а все известные силы, кроме силы тяжести. Найти суть темной материи и осветить путь к более глубокому пониманию Вселенной — вот то, что они надеются физики. Ну, или надеялся.

Вимпы должны иметь гравитационную силу, которая показывала бы много от одной до тысячи масс протона. Их единственной оставшейся связью с известным нам мир был бы слабые ядерные силы, которая сильнее силы тяжести, но они активны только на небольшие расстояния на уровне атомных ядер. Если существуют, вимпы должны окружать нас, как незримый туман, и их возможности взаимодействия с обычной материей настолько малы, что частица может пройти через свинец толщиной в один световой год, и не поморщиться.

Тем не менее экспериментаторы провели несколько десятилетий, развития и эксплуатации извещателей вимпов. Их было совсем немного. CDEX, CDMS, Cogi, КУПЕ и CRESST — лишь самые известные примеры с буквы «с». тонкая работа для поиска каких-либо слабые, редкие и мимолетные взаимодействия вимпов с атомами требует изоляции и одиночества, поэтому большинство детекторов заняли пещеры, заброшенные шахты и другие подземные.

Среди последних к нулю результаты поиска вимпов — провал эксперимента Large Underground Xenon (LUX). В основе третьего тонн жидкого ксенона, который сохраняется при температуре -100 градусов по Цельсию внутри заполненного водой бака, похоронен под полутора километров земли в Блэк-Хиллс в Южной Дакоте. Там, вдали от большинства источников шума, ученые потратили больше года времени на поиск ракеты из ядер ксенона, которые попадают вимпы. 21 июля они объявили, что не видел никто.

Следующее разочарование получил 5 августа самый мощный ускоритель частиц, когда-либо созданных: в большом адронном коллайдере (LHC) в Женеве, Швейцария. В 2012 году, после открытия бозона Хиггса — долгожданный последний частиц Стандартной модели, которая позволяет другим масс — многие теоретики утверждали, что в следующем гран-результат ТАНК будет открытие, как Хиггса (или другие гипотетические частицы, похожие на него) помогает родиться вимпам и заполнить пространство. С весны 2015 года ТАНК гонит эти открытия, толкает протоны вместе в высоких энергий миллиарда в секунду. Ранее две независимые группы исследователей обнаружили аномалию в субатомных обломки, избыток энергии столкновений протонов, которые могут указать в направлении новой физики (возможно, родилась вимпами или еще какие экзотические с ограниченными физическими возможностями). Но вместо этого, когда БАК сломал больше протонов и собрал больше данных, аномалия просто испарилась, будучи просто статистической случайностью.

Взятые вместе, эти два-ноль результата — как обоюдоострый меч для материи, для сердце тьмы. С одной стороны, новые ограничения вероятно, масса темной материи и взаимодействий вимпов заложить основу для детекторов нового поколения, который также в состоянии испытать удачу. С другой стороны, они исключают самые простые и удобные модели вимпов, подняв свежие опасения на тему, что от времени исследования частиц может быть до двух лет поисков.

Эдвард Колб, космолог из Чикагского университета, в 1970 году он помог заложить основу для следующего поколения охотников вимпами. Объявил 2010-е годы «десятилетием вимпа», но теперь признает, что исследование не так, как планировалось. «Сегодня мы еще более темный относительно темной материи, которые были пять лет назад», — говорит он. Большинство теоретиков отреагировали на отсутствие результатов, создавая еще большее количество экзотических теорий, которые могут объяснить, на самом деле, потому что вимпы избегают наши детекторы.

Есть, конечно, и другая возможность — вимпы не просто место, где темной материи, что мы должны искать. «Вимпы, имеющие, как простой, элегантный, убедительное объяснение сложное явление», — говорит Колб.

«Каждое сложное явление является простой, элегантный, убедительное объяснение, что это просто неправильно».

В поисках чуда

Охотники вимпами сходятся во мнении, что они просто попытались достаточно хорошо, — говорит представитель ЛК Ричард Гейтскелл. Из-за неопределенности в отношении точной массы и силы взаимодействия этих неуловимых частиц, область поиска вимпов охватывает восемь порядков. Если вимпы очень массивные, в пространстве вашего кулака, может быть один-два вимпа в любое время; если они слишком легкие, миллиарды проходят через вас каждую секунду. Создание детектора, которая прокатилась в широком диапазоне, как создание сети для ловли рыбы, некоторые из которых будут размером с эритроцит, и другие — с городом.

Гейтскелл и другие охотники вимпами поспорить, что детекторы больше даст лучшие результаты, и есть планы для нового поколения экспериментов с существенно больших размеров и чувствительности к свету. «Я начал искать 28 лет назад, с 10 грамм детектор», говорит Гейтскелл. «Сегодня мы используем детектор с третьей тонн жидкого ксенона. В ближайшие 10-15 лет вырастет до 100 тонн».

В отсутствие реальных эмпирических данных вимпов, в течение многих лет свои исследования провел очень убедительный теоретический аргумент их существования. Физики называют это «чудо вимпа». Это чудо держится на двух спекулятивных ноги.

Первый этап простирается назад, в первые моменты пространства-времени. Непосредственная экстраполяция Стандартной модели исходной было предположить, что вимпы должны были родиться в огромных количествах в плотной горячей плазме, которая заполняет Вселенную сразу после Большого Взрыва. Большинство из этих vip-пришлось столкнуться с другом и аннигилировать, создавая нормальные частицы. Этот процесс постепенно уменьшается для расширения и охлаждения Вселенной, оставляя за собой «реликтовую» население холодных и линзы вимпов. Добавьте знаменитая сила взаимодействия слаб, что в среднем этот процесс, и вы будете в состоянии рассчитать, как реликвию вимпов должна существовать и сегодня. Ответ: примерно в пять раз больше, чем обычной материи. Это прекрасно согласуется с обилием наблюдаемой темной материи.

Второй этап чуда сплав вимпы современных массы бозона Хиггса. БАК измерил бозон Хиггса и показал, что он в 130 раз тяжелее протона, и, следовательно Хиггса является одним из самых массивных из известных частиц. Но принципы квантовой механики предполагают, что масса бозона Хиггса должна быть нестабильной и взаимодействия с известными частицами будет расти в тысячи миллиардов раз, и даже больше. Если только ее неустойчивый рост почему-то не удаляется или не уравновешивается нового, еще не обнаружено массовое фундаментальной частицы. Такие частицы являются сигнатурным прогноз суперсимметрии, популярное расширение Стандартной модели, которое заполняет теоретические пробелы, предоставляя каждой частицы «суперпартнером». Много теорий суперсимметрии предсказывают, что самый легкий суперпартнер должна быть стабильной, нейтральной, слабо взаимодействующей частицы — как пикассо. Это неуловимые частицы искал ТАНК, и я не нашел — в течение последних месяцев работы.

«Любопытно, как эти две отдельные линии испытания сливаются и говорят, что эти частицы могут существовать более скрупулезно, определяя количество темной материи», — говорит Нил Вайнер, теории темной материи в Нью-йоркском университете. «Это чудо вимпа».

В последние годы, тем не менее, теоретики говорили, что вимпы не столь замечательные, как казались. В 2008 году Джонатан Фэн и Джейсон Кумар из университета Калифорнии в Ирвине доказали, что суперсимметрия может также произвести гипотетический класс частицы, что будет гораздо проще и будут взаимодействовать слабее, чем вимпы. «Эти частицы вызывают такое же количество темной материи, которую мы видим сегодня, но я не вимпам», — говорит Фэн. «Это разбивает наши предположения, потому что теоретически еще хорошо обоснованы. Мы называем это безвимповым чудо».

Выдержка из обоснования теоретической модели простых вимпов и растущий список неудач детекторы привели Фэн и многие другие к мысли, что вимпы являются частью гораздо более сложной: полностью новая зона скрытой Вселенной, полна многих различных темных частиц, взаимодействующих между собой, используя набор темные силы, поменяв местами темные зарядов через взрывы темный свет. Поскольку они предлагают теоретиков гораздо больше переменных, с которыми вы можете экспериментировать, как модель «темного сектора» могут быть согласованы и введены в узкую смирительную рубашку фактов, которые переводят из последних результатов поиска темной материи.

Недостатком является то, что эта расползающаяся гибкости усложняет контроль. «Темный сектор вы можете придумать все, что угодно, — говорит Дэвид Шпергель, астрофизик из Принстонского университета. — Теперь, когда мы потеряли следующий чудо вимпа, пространство моделей огромен. Это земля, на которой мы не знаем, куда идти; нам нужны дополнительные советы от природы, куда идти».

Может быть, мы только оцарапали общая площадь разнообразие частиц и сил в природе, ориентируясь только на кварках, фотонов и тому подобные вещи, потому что они очень хорошо знают, и доступны для нас. В этом случае, мы похожи на «пьяного, который ищет потерянные ключи только под огнями, потому, что существует свет», говорит Вайнер. «Есть сценарии, которые мы не можем проверить с помощью наших современных технологий. С другой стороны, если вы творческий человек, вы сможете создавать новые фонарные столбы».

Темные лошадки

Все другие огни, которые, как известно, в настоящее время, очень немногие отвечают теоретики. Как вимпы, некоторые альтернативные кандидаты темной материи также имеют убедительные теоретические основы. Их относительную неизвестность, как говорят некоторые, отчасти это из-за того, что они не настолько богаты, чтобы феноменологически, как гипотеза вимпов, предлагают менее интересные сигналы и вопросы для экспериментаторов и теоретиков.

В прошлом году группа ученых получила Нобелевскую премию за открытие того, что является иллюзорным, слабо взаимодействующие частицы нейтрино бывают трех «вкусов» и имеют массу. Три вида нейтрино, достаточно массивные, чтобы объяснить темную материю, но в силу наличия массы, которые также предлагают возможность существования четвертого массивные, так называемого «стерильного нейтрино».

«Почти все механизмы генерации массы нейтрино требуют существование стерильных нейтрино, и было бы очень легко объяснить некоторые из этих стерильных нейтрино, на самом деле, темная материя», — говорит Kevork Абазаджян, теоретик из Калифорнийского университета в Ирвине. Но никто и никогда не нашел стерильных нейтрино, даже самые чувствительные попыток, которые он предпринял нейтринная обсерватория IceCube в Антарктиде. На его отказ она сообщила в конце августа.

Еще одна длинная темная лошадка среди кандидатов темной материи-это аксион, гипотетический слабо взаимодействующая частица, предложенная в 1977 году, чтобы объяснить и решить таинственные асимметрии в квантовых взаимодействий. Для аксионы пояснил, темной материи, должны были занять относительно узком диапазоне масс и быть гораздо проще, вимпов, и, следовательно, обнаружить их было бы еще труднее. «Если мы не обнаружили, вимпы, теоретики просто ставить на аксионы», — говорит Питер Грэм, физик из Стэнфордского университета, изучает аксионы и другие теоретические параметры темной материи.

Более вимпов и темных секторов, стерильных нейтрино и аксионов, есть еще более экзотические возможности проявления темной материи, даже если они собрались где-нибудь на обочине физики.

Черные дыры, которые могут быть созданы сразу после Большого Взрыва, может объяснить, скрытая масса Вселенной, но тогда они должны были бы существовать в таком изобилии, что мы, вероятно, уже откроет их с помощью других средств. Однако наше исследование этих «первичных» черных дыр до сих пор не проводилось достаточно тщательно, чтобы полностью удалить их имени. Кроме того, темная материя может быть гиперпространственным отпечаток частиц, которые проходят через скрытые соседнего измерения, — только здесь, никаких убедительных доказательств, дополнительных мер не возникало на Бак или в другой ускоритель.

Самый мерзкий, отвратительный, раздражающий вариант состоит в том, что материя может быть для большинства иллюзия, что выступает его уродливым пальцем в нашем понимании гравитации, завещенное Эйнштейн в своей теории относительности. Различные теории «модифицированной гравитации», которые предполагают, что эта сила уменьшается, в определенных обстоятельствах, это может объяснить некоторые наблюдения темной материи, в частности, динамика галактик, но не может понять влияние темной материи на скопления галактик (что видят астрономы) и остаточное свечение Большого Взрыва.

Тем не менее, физика не могут допустить изменен тяжести, по большей части из-за социологии ученых, и не более научного процесса. Она просто выглядит не очень красиво в глазах физиков элементарных частиц, — говорит Сабина Хоссенфельдер, теоретик из института во Франкфурте, в Германии. «Изобретение новых частиц хлеб физиков, они делают это на протяжении всей жизни; конечно, предпочитают этот вариант.»

Независимо от того, какой может быть предпочтительным кандидатом самое большое беспокойство, физические, столкновение с темной материей, не в том, что эта концепция будет нарушена или неправильно — наблюдаемые свидетельства существования темной материи не так. Нет, я обеспокоен тем, что личность темная материя может просто не иметь отношения к других великих тайн физики, и, следовательно, не будет предлагать новые пути к пониманию истинной природы реальности.

«Хочу, чтобы материя не только существует, но решил другие нерешенные проблемы Стандартной модели, — говорит Джесси Талер, физик массачусетского технологического института. — Не каждое новое открытие может быть откровением, как Хиггс, после которого теория вдруг гораздо лучше, вместе взятых. Иногда новые частицы могут тебе дать: «Я не заказывал, чей это заказ?». Мы живем в мире, в котором каждое открытие ведет к более глубокому и более фундаментальные открытия, или мы живем в мире, в котором некоторые части имеют рифму и смысл, а другие нет? Темная материя предлагает один из двух».

Физики усомнились в самом сердце тьмы
Илья Хель

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Обсуждение закрыто.