მხოლოდ რთულ საკითხებზე: რა არის ბნელი მატერია და სად უნდა ვეძებოთ იგი. სამყაროს უხილავი ცემენტის ბნელი მატერიის დღე

მეცნიერთა გამოთვლებმა აჩვენა, რომ სამყაროს 95% შედგება მატერიისგან, რომელიც ჯერ არ არის გამოკვლეული ადამიანების მიერ: 70% ბნელი ენერგიაა, ხოლო 25% ბნელი მატერიაა. ვარაუდობენ, რომ პირველი წარმოადგენს გარკვეულ ველს არანულოვანი ენერგიით, მაგრამ მეორე შედგება ნაწილაკებისგან, რომელთა აღმოჩენა და შესწავლა შესაძლებელია.

მაგრამ ტყუილად არ არის, რომ ამ ნივთიერებას ფარული მასა ჰქვია - მისი ძებნა საკმაოდ დიდ დროს გრძელდება და თან ახლავს ცხარე დისკუსიები ფიზიკოსებს შორის. იმისათვის, რომ ცერნმა თავისი კვლევა საზოგადოებამდე მიიტანოს, ინიცირებულია ბნელი მატერიის დღეც კი, რომელიც დღეს, 31 ოქტომბერს პირველად აღინიშნება.

ბნელი მატერიის არსებობის მომხრეები წარმოადგენენ საკმაოდ დამაჯერებელ არგუმენტებს, რომლებიც დადასტურებულია ექსპერიმენტული ფაქტებით. მისი აღიარება დაიწყო მე-20 საუკუნის 30-იან წლებში, როდესაც შვეიცარიელმა ასტრონომმა ფრიც ცვიკიმ გაზომა სიჩქარე, რომლითაც კომას გროვის გალაქტიკები მოძრაობენ საერთო ცენტრის გარშემო. მოგეხსენებათ, მოძრაობის სიჩქარე დამოკიდებულია მასაზე. მეცნიერის გამოთვლებმა აჩვენა, რომ გალაქტიკების ნამდვილი მასა გაცილებით მეტი უნდა იყოს, ვიდრე ტელესკოპების გამოყენებით დაკვირვების დროს დადგინდა. აღმოჩნდა, რომ გალაქტიკების საკმაოდ დიდი ნაწილი ჩვენთვის უბრალოდ არ ჩანდა. მაშასადამე, იგი შედგება მატერიისგან, რომელიც არ ირეკლავს და არ შთანთქავს სინათლეს.

ფარული მასის არსებობის მეორე დადასტურება არის სინათლის ცვლილება გალაქტიკებში გავლისას. ფაქტია, რომ მასის მქონე ნებისმიერი ობიექტი ამახინჯებს სინათლის სხივების სწორხაზოვან გზას. ამრიგად, ბნელი მატერია თავის ცვლილებებს შეიტანს სინათლის სურათზე (შორეული ობიექტის გამოსახულება) და ის განსხვავდება სურათისგან, რომელიც შეიქმნებოდა მხოლოდ ხილული მატერიით. ბნელი მატერიის არსებობის ათი მტკიცებულება არსებობს, მაგრამ ეს ორი მთავარია.

© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS

გალაქტიკათა გროვის ფოტო. ხაზები გვიჩვენებს ბნელი მატერიის „მოხაზულობას“.

მიუხედავად იმისა, რომ ბნელი მატერიის არსებობის მტკიცებულებები საკმაოდ დამაჯერებელია, ჯერ არავის უპოვია ან შესწავლილი ნაწილაკები, რომლებიც მას ქმნიან. ფიზიკოსები ვარაუდობენ, რომ ეს საიდუმლოება ორი მიზეზით არის განპირობებული. პირველი ის არის, რომ ამ ნაწილაკებს აქვთ ძალიან მაღალი მასა (ენერგეტიკასთან დაკავშირებული E=mc² ფორმულით), ამიტომ თანამედროვე ამაჩქარებლების შესაძლებლობები უბრალოდ არ არის საკმარისი ასეთი ნაწილაკების "დაბადებისთვის". მეორე მიზეზი ბნელი მატერიის გაჩენის ძალიან დაბალი ალბათობაა. შესაძლოა, ჩვენ ვერ ვიპოვოთ ის ზუსტად იმიტომ, რომ ის უკიდურესად სუსტად ურთიერთქმედებს ადამიანის სხეულთან და ჩვენთვის ცნობილ ნაწილაკებთან. მიუხედავად იმისა, რომ ბნელი მატერია ყველგან არის (გათვლებით) და მისი ნაწილაკები ფაქტიურად ყოველ წამს ჩქარობენ ჩვენში, ჩვენ ამას უბრალოდ არ ვგრძნობთ.

ბნელი მატერიის ნაწილაკების აღმოსაჩენად, მეცნიერები იყენებენ დეტექტორებს, რომლებიც განლაგებულია მიწისქვეშეთში, რათა მინიმუმამდე დაიყვანონ ზედმეტი ჩარევა. ვარაუდობენ, რომ ზოგჯერ ბნელი მატერიის ნაწილაკები კვლავ ეჯახება ატომის ბირთვებს, გადასცემს მათ იმპულსის ნაწილს, არღვევს ელექტრონებს და იწვევს სინათლის ციმციმებს. ასეთი შეჯახების სიხშირე დამოკიდებულია ბნელი მატერიის ნაწილაკების ბირთვთან ურთიერთქმედების ალბათობაზე, მათ კონცენტრაციაზე და შედარებით სიჩქარეზე (დედამიწის მოძრაობის გათვალისწინებით მზის გარშემო). მაგრამ ექსპერიმენტული ჯგუფები, თუნდაც ისინი აღმოაჩინონ რაიმე ეფექტი, უარყოფენ, რომ ბნელმა მატერიამ გამოიწვია დეტექტორის ეს რეაქცია. და მხოლოდ იტალიური ექსპერიმენტული ჯგუფი DAMA, რომელიც მუშაობს გრან სასოს მიწისქვეშა ლაბორატორიაში, იუწყება სიგნალების დათვლის სიჩქარის ყოველწლიური ცვალებადობა, რომელიც სავარაუდოდ დაკავშირებულია დედამიწის მოძრაობასთან გალაქტიკურ ფარულ მასაში.

ბნელი მატერიის გამოვლენის დეტექტორი

ამ ექსპერიმენტში დეტექტორის შიგნით სინათლის ციმციმების რაოდენობა და ენერგია იზომება რამდენიმე წლის განმავლობაში. მკვლევარებმა დაამტკიცეს სუსტი (დაახლოებით 2%) წლიური რყევების არსებობა ასეთი მოვლენების დათვლის მაჩვენებელში.

მიუხედავად იმისა, რომ იტალიური ჯგუფი თავდაჯერებულად იცავს ექსპერიმენტების სანდოობას, მეცნიერთა მოსაზრებები ამ საკითხთან დაკავშირებით საკმაოდ ორაზროვანია. იტალიური ჯგუფის მიერ მიღებული შედეგების მთავარი სისუსტე მათი უნიკალურობაა. მაგალითად, როდესაც გრავიტაციული ტალღები აღმოაჩინეს, ისინი აღმოაჩინეს ლაბორატორიებმა მთელს მსოფლიოში, რითაც დაადასტურა სხვა ჯგუფების მიერ მიღებული მონაცემები. DAMA-ს შემთხვევაში სხვა სიტუაციაა - მსოფლიოში ვერავინ დაიკვეხნის იგივე შედეგებით! რა თქმა უნდა, არ არის გამორიცხული, რომ ამ ჯგუფს ჰქონდეს უფრო ძლიერი დეტექტორები ან საკუთარი მეთოდები, მაგრამ ექსპერიმენტის ეს უნიკალურობა ზოგიერთ მკვლევარს ეჭვს ბადებს მის სანდოობაში.

„ჯერჯერობით შეუძლებელია ზუსტად იმის თქმა, თუ რას ეხება გრან სასოს ლაბორატორიაში შეგროვებული მონაცემები. ყოველ შემთხვევაში, იტალიიდან ჯგუფმა დადებითი შედეგი მოგვცა და არა რაღაცის უარყოფა, რაც უკვე სენსაციაა. ახლა სიგნალები აღმოაჩინეს. საჭიროა ახსნა-განმარტების მოძიება და ეს არის დიდი სტიმული სხვადასხვა თეორიების შემუშავებისთვის, მათ შორის ფარული მასის მოდელის შესაქმნელად. მაგრამ მაშინაც კი, თუ მეცნიერი ცდილობს ახსნას, თუ რატომ არ არის დაკავშირებული მიღებული მონაცემები. ბნელი მატერიისკენ, ეს მაინც შეიძლება გახდეს ახალი ნაბიჯი ბუნების გაგებაში. ნებისმიერ შემთხვევაში, შედეგი არის და ჩვენ უნდა გავაგრძელოთ მუშაობა. მაგრამ ამ მომენტში, მე პირადად ვერ დაგეთანხმები, რომ ბნელი მატერია იპოვეს. ”- ამბობს კონსტანტინე. ბელოტსკი, NRNU MEPhI ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკის დეპარტამენტის წამყვანი მკვლევარი.

ბნელი მატერია არ ასხივებს და არ შთანთქავს სინათლეს, პრაქტიკულად არ ურთიერთქმედებს "ჩვეულებრივ" მატერიასთან, მეცნიერებმა ჯერ ვერ მოახერხეს ერთი "ბნელი" ნაწილაკის დაჭერა. მაგრამ მის გარეშე, სამყარო, რომელსაც ჩვენ ვიცნობთ, და თვით ჩვენც კი, ვერ იარსებებს. ბნელი მატერიის დღეს, რომელიც აღინიშნება 31 ოქტომბერს (ფიზიკოსებმა გადაწყვიტეს, რომ ეს მხოლოდ შესაფერისი დროა ბნელი და მიუწვდომელი ნივთიერების საპატივცემულოდ დღესასწაულის ორგანიზებისთვის) N+1ჰკითხა ლებედევის ფიზიკური ინსტიტუტის ასტროკოსმოსური ცენტრის თეორიული ასტროფიზიკის განყოფილების ხელმძღვანელს, ანდრეი დოროშკევიჩს, რა არის ბნელი მატერია და რატომ არის იგი ასე მნიშვნელოვანი.

N+1: რამდენად დარწმუნებულნი არიან დღეს მეცნიერები, რომ ბნელი მატერია ნამდვილად არსებობს?

ანდრეი დოროშკევიჩი:მთავარი მტკიცებულებაა დაკვირვებები კოსმოსური მიკროტალღური ფონის გამოსხივების რყევებზე, ანუ შედეგები, რომლებიც მიღებული იქნა WMAP-ისა და "" კოსმოსური ხომალდის მიერ ბოლო 15 წლის განმავლობაში.

მათ მაღალი სიზუსტით გაზომეს კოსმოსური მიკროტალღური ფონის ტემპერატურის დარღვევა, ანუ კოსმოსური მიკროტალღური ფონის გამოსხივება. ეს დარღვევები შენარჩუნებულია რეკომბინაციის ეპოქიდან, როდესაც იონიზირებული წყალბადი გადაიქცა ნეიტრალურ ატომებად.

ამ გაზომვებმა აჩვენა რყევების არსებობა, ძალიან მცირე, დაახლოებით კელვინის ათიათასედი. მაგრამ როდესაც მათ დაიწყეს ამ მონაცემების შედარება თეორიულ მოდელებთან, მათ აღმოაჩინეს მნიშვნელოვანი განსხვავებები, რომლებიც სხვაგვარად ვერ აიხსნება, გარდა ბნელი მატერიის არსებობით. ამის წყალობით მათ შეძლეს გამოთვალონ ბნელი და ჩვეულებრივი მატერიის წილი სამყაროში ერთი პროცენტის სიზუსტით.

მატერიის განაწილება სამყაროში (მარცხნიდან მარჯვნივ) პლანკის ტელესკოპის მონაცემების გამოჩენამდე და შემდეგ

მეცნიერებმა მრავალი მცდელობა გააკეთეს უხილავი და შეუმჩნეველი ბნელი მატერიისგან თავის დაღწევისთვის, შექმნეს შეცვლილი გრავიტაციის თეორიები, როგორიცაა MOND, რომლებიც ცდილობენ ახსნან დაკვირვებული ეფექტები. რატომ არის სასურველი ბნელი მატერიის მოდელები?

სიტუაცია ძალიან მარტივია: გრავიტაციის თანამედროვე აინშტაინის თეორია კარგად მუშაობს მიწიერ მასშტაბებზე, თანამგზავრები დაფრინავენ ამ თეორიის მკაცრი დაცვით. და ის ძალიან კარგად მუშაობს კოსმოლოგიურ მასშტაბებზე. და ყველა თანამედროვე მოდელი, რომელიც ცვლის გრავიტაციას, ვერ ხსნის ყველაფერს. ისინი ნიუტონის კანონში ახალ კონსტანტებს ნერგავენ, რომლებიც გალაქტიკის დონეზე ბნელი მატერიის ზემოქმედების ახსნას უწყობს ხელს, მაგრამ კოსმოლოგიური მასშტაბის ნიშანს აცდენენ.

შეიძლება გრავიტაციული ტალღების აღმოჩენა აქ დაგვეხმაროს? იქნებ ეს დაგეხმარებათ ზოგიერთი თეორიის გაუქმებაში?

ის, რაც ახლა გრავიტაციულმა ტალღებმა გაზომეს, არის უზარმაზარი ტექნიკური და არა სამეცნიერო წარმატება. მათი არსებობის შესახებ ცნობილი იყო 40 წლის წინ, როდესაც ორმაგი პულსარის გრავიტაციული გამოსხივება აღმოაჩინეს (ირიბი გზით). გრავიტაციულ ტალღებზე დაკვირვებამ კიდევ ერთხელ დაადასტურა შავი ხვრელების არსებობა, თუმცა აქამდე ეჭვი არ გვეპარებოდა, მაგრამ ახლა მეტ-ნაკლებად პირდაპირი მტკიცებულება გვაქვს.

ეფექტის ფორმა, გრავიტაციული ტალღების ცვლილებები ძალაუფლების მიხედვით, შეიძლება მოგვცეს ძალიან სასარგებლო ინფორმაცია, მაგრამ ჩვენ უნდა დაველოდოთ კიდევ ხუთიდან ათ წლამდე, სანამ საკმარისი მონაცემები გვექნება გრავიტაციის თეორიების დასაზუსტებლად.

როგორ შეიტყვეს მეცნიერებმა ბნელი მატერიის შესახებ

ბნელი მატერიის ისტორია 1933 წელს დაიწყო, როდესაც ასტრონომმა ფრიც ცვიკიმ შეისწავლა გალაქტიკების სიჩქარის განაწილება გროვაში, რომელიც მდებარეობდა კომა-ბერენიკეს თანავარსკვლავედში. მან აღმოაჩინა, რომ გროვაში გალაქტიკები ძალიან სწრაფად მოძრაობდნენ და მხოლოდ ხილული მატერიის გათვალისწინებით, მტევანი ვერ იქნებოდა სტაბილური - გალაქტიკები უბრალოდ მიმოფანტული იქნებოდნენ სხვადასხვა მიმართულებით.

1933 წლის 16 თებერვალს გამოქვეყნებულ ნაშრომში ცვიკი ვარაუდობს, რომ ისინი ერთმანეთს უხილავი გრავიტაციული სუბსტანციის - დანკლე მატერიის მიერ ეკავა.

ცოტა მოგვიანებით, სხვა ასტრონომებმა დაადასტურეს შეუსაბამობა გალაქტიკების "ხილულ" მასასა და მათი მოძრაობის პარამეტრებს შორის.

1958 წელს საბჭოთა ასტროფიზიკოსმა ვიქტორ ამბარცუმიანმა შესთავაზა ცვიკის პარადოქსის გადაწყვეტა. მისი აზრით, გალაქტიკათა გროვა არ შეიცავს რაიმე უხილავ მატერიას, რომელიც მათ გრავიტაციულად შეინარჩუნებს. ჩვენ უბრალოდ ვაკვირდებით კლასტერებს დაშლის პროცესში. თუმცა, ასტრონომების უმეტესობამ არ მიიღო ეს ახსნა, რადგან ამ შემთხვევაში გროვების სიცოცხლის ხანგრძლივობა იქნებოდა არაუმეტეს ერთი მილიარდი წლისა და იმის გათვალისწინებით, რომ სამყაროს სიცოცხლის ხანგრძლივობა ათჯერ მეტია, დღეისათვის უბრალოდ გროვები აღარ დარჩებოდა.

ბნელი მატერიის ზოგადად მიღებული გაგება არის ის, რომ იგი შედგება WIMP-ებისგან, მასიური ნაწილაკებისგან, რომლებსაც მცირე ურთიერთქმედება აქვთ ჩვეულებრივ მატერიის ნაწილაკებთან. რას იტყვით მათ თვისებებზე?

მათ აქვთ საკმაოდ დიდი მასა - და ეს თითქმის ყველაფერია, ზუსტი მასის დასახელებაც კი არ შეგვიძლია. ისინი დიდ მანძილზე მოგზაურობენ შეჯახების გარეშე, მაგრამ სიმკვრივის დარღვევა მათში არ კვდება თუნდაც შედარებით მცირე მასშტაბებით - და ეს არის ერთადერთი, რაც დღეს მოდელებისთვის გვჭირდება.

CMB გვაძლევს ბნელი მატერიის მახასიათებლებს დიდი მასშტაბებით, გალაქტიკათა გროვების მასშტაბით. მაგრამ იმისთვის, რომ პატარა გალაქტიკების მასშტაბამდე „დავიდეთ“, იძულებული ვართ გამოვიყენოთ თეორიული მოდელები.

თავად მცირე გალაქტიკების არსებობა ვარაუდობს, რომ შედარებით მცირე მასშტაბებზეც კი იყო დარღვევები, რომლებიც წარმოიშვა დიდი აფეთქების შემდეგ. ასეთი არაერთგვაროვნება შეიძლება გაქრეს და გაქრეს, მაგრამ ჩვენ ზუსტად ვიცით, რომ ისინი არ ქრება პატარა გალაქტიკების მასშტაბით. ეს მიუთითებს იმაზე, რომ ბნელი მატერიის ნაწილაკებს ისეთი თვისებები უნდა ჰქონდეთ, რომ ეს დარღვევები შენარჩუნდეს.

სწორია თუ არა იმის თქმა, რომ ვარსკვლავები მხოლოდ ბნელი მატერიის გამო წარმოიქმნება?

Ნამდვილად არ. ბნელი მატერიის გარეშე გალაქტიკები ვერ წარმოიქმნებოდა და ვარსკვლავები ვერ ქმნიან გალაქტიკებს გარეთ. ბნელი მატერიისგან განსხვავებით, ბარიონები ყოველთვის ცხელია და ურთიერთქმედებენ კოსმოსური მიკროტალღური ფონის გამოსხივებასთან. მაშასადამე, მათ დამოუკიდებლად არ შეუძლიათ ვარსკვლავებად შეკრება; ვარსკვლავური მასის ბარიონების გრავიტაცია ვერ გადალახავს მათ წნევას.

ბნელი მატერიის ნაწილაკები მოქმედებენ როგორც უხილავი ცემენტი, რომელიც იზიდავს ბარიონებს გალაქტიკებში და შემდეგ იწყება მათში ვარსკვლავების ფორმირების პროცესი. ბარიონებზე ექვსჯერ მეტი ბნელი მატერიაა; ის „მიჰყავს“ და ბარიონები მხოლოდ მას მიჰყვებიან.

ქსენონის ბნელი მატერიის ნაწილაკების დეტექტორი XENON1T

Xenon100 თანამშრომლობა

არის თუ არა ბევრი ბნელი მატერია ჩვენს ირგვლივ?

ყველგან არის, საკითხავია მხოლოდ რამდენია. ითვლება, რომ ჩვენს გალაქტიკაში ბნელი მატერიის მასა 10 პროცენტზე ოდნავ ნაკლებია.

მაგრამ უკვე გალაქტიკის მახლობლად არის უფრო მეტი ბნელი მატერია, ჩვენ შეგვიძლია დავინახოთ არსებობის ნიშნები როგორც ჩვენი, ისე სხვა ვარსკვლავური სისტემების ირგვლივ. რა თქმა უნდა, ჩვენ მას ვხედავთ ბარიონების წყალობით, ვაკვირდებით მათ და გვესმის, რომ ისინი იქ „იჭედება“ მხოლოდ ბნელი მატერიის არსებობის გამო.

როგორ ეძებენ მეცნიერები ბნელ მატერიას

1980-იანი წლების ბოლოდან ფიზიკოსები ატარებდნენ ექსპერიმენტებს მიწისქვეშა ობიექტებში, რათა დაეფიქსირებინათ ბნელი მატერიის ცალკეული ნაწილაკების შეჯახება. ბოლო 15 წლის განმავლობაში, ამ ექსპერიმენტების კოლექტიური მგრძნობელობა ექსპონენტურად გაიზარდა, საშუალოდ ყოველწლიურად გაორმაგდა. ორმა ძირითადმა თანამშრომლობამ, XENON-მა და PandaX-II-მა, ახლახან გამოუშვა ახალი, კიდევ უფრო მგრძნობიარე დეტექტორები.

პირველმა მათგანმა ააგო მსოფლიოში ყველაზე დიდი ბნელი მატერიის დეტექტორი, XENON1T. იგი იყენებს თხევადი ქსენონისგან დამზადებულ 2000 კილოგრამ სამიზნეს, რომელიც მოთავსებულია წყლის ავზში 10 მეტრის სიმაღლეზე. ეს ყველაფერი მიწისქვეშ მდებარეობს გრან სასოს ეროვნულ ლაბორატორიაში (იტალია) 1,4 კილომეტრის სიღრმეზე. PandaX-II ინსტალაცია ჩაფლულია ჩინეთის პროვინცია სიჩუანში 2,4 კილომეტრის სიღრმეზე და შეიცავს 584 კილოგრამ თხევად ქსენონს.

ორივე ექსპერიმენტში გამოიყენება ქსენონი, რადგან ის უკიდურესად ინერტულია, რაც ხელს უწყობს ხმაურის დაბალი დონის შენარჩუნებას. გარდა ამისა, ქსენონის ატომების ბირთვები შედარებით მძიმეა (რომელიც შეიცავს საშუალოდ 131 ნუკლეონს თითო ბირთვზე), რაც უზრუნველყოფს ბნელი მატერიის ნაწილაკების "უფრო დიდ" სამიზნეს. თუ ამ ნაწილაკებიდან ერთ-ერთი დაეჯახება ქსენონის ატომის ბირთვს, ის წარმოქმნის სინათლის სუსტ, მაგრამ შესამჩნევ ელვარებას (სცინილაცია) და წარმოიქმნება ელექტრული მუხტი. ასეთ მოვლენებზე თუნდაც მცირე რაოდენობის დაკვირვებამ შეიძლება მოგვცეს მნიშვნელოვანი მინიშნებები ბნელი მატერიის ბუნების შესახებ.

ჯერჯერობით, ვერც ამ და ვერც სხვა ექსპერიმენტებმა ვერ შეძლეს ბნელი მატერიის ნაწილაკების აღმოჩენა, მაგრამ ეს სიჩუმე შეიძლება გამოყენებულ იქნას ბნელი მატერიის ნაწილაკების ჩვეულებრივი მატერიის ნაწილაკებთან შეჯახების ალბათობის ზედა ზღვარზე.

შეუძლია თუ არა ბნელი მატერიის ნაწილაკებს ნორმალური მატერიის ნაწილაკების მსგავსი გროვების შექმნა?

მათ შეუძლიათ, მაგრამ მთელი საკითხია, რა სიმკვრივეა. ასტროფიზიკის თვალსაზრისით, გალაქტიკები მკვრივი ობიექტებია, მათი სიმკვრივე კუბურ სანტიმეტრზე ერთი პროტონის რიგია, ხოლო ვარსკვლავები მკვრივი ობიექტებია, რომელთა სიმკვრივეა გრამი კუბურ სანტიმეტრზე. მაგრამ მათ შორის 24 რიგის სიდიდის განსხვავებაა. როგორც წესი, ბნელ მატერიის ღრუბლებს აქვთ "გალაქტიკური" სიმკვრივე.

აქვს თუ არა მრავალ ადამიანს ბნელი მატერიის ნაწილაკების მოძიების შანსი?

ისინი ცდილობენ აღბეჭდონ ბნელი მატერიის ცალკეული ნაწილაკების ურთიერთქმედება ჩვეულებრივი მატერიის ატომებთან, როგორც ამას აკეთებენ ნეიტრინოების შემთხვევაში. მაგრამ მათი დაჭერა ძალიან რთულია და ეს არც კი არის ფაქტი, რომ ეს შესაძლებელია.

CAST (CERN Axion Solar Telescope) ტელესკოპი CERN-ში ეძებს ჰიპოთეტურ ნაწილაკებს - აქსიონებს, რომლებსაც შეუძლიათ ბნელი მატერიის შექმნა.

შესაძლოა, ბნელი მატერია ზოგადად შედგება ეგრეთ წოდებული „სარკის“ ნაწილაკებისგან, რომელთა დაკვირვებაც, პრინციპში, შესაძლებელია მხოლოდ მათი გრავიტაციით. მეორე „სარკის“ სამყაროს ჰიპოთეზა შემოთავაზებული იქნა ნახევარი საუკუნის წინ, ეს არის რეალობის ერთგვარი გაორმაგება.

ჩვენ მხოლოდ რეალური დაკვირვებები გვაქვს კოსმოლოგიიდან.

ესაუბრა სერგეი კუზნეცოვმა

მოსკოვი, 31 ოქტომბერი - რია ნოვოსტი, ოლგა კოლენცოვა.მეცნიერთა გამოთვლებმა აჩვენა, რომ სამყაროს 95% შედგება მატერიისგან, რომელიც ჯერ არ არის გამოკვლეული ადამიანების მიერ: 70% ბნელი ენერგიაა, ხოლო 25% ბნელი მატერიაა. ვარაუდობენ, რომ პირველი წარმოადგენს გარკვეულ ველს არანულოვანი ენერგიით, მაგრამ მეორე შედგება ნაწილაკებისგან, რომელთა აღმოჩენა და შესწავლა შესაძლებელია. მაგრამ ტყუილად არ არის, რომ ამ ნივთიერებას ფარული მასა ჰქვია - მისი ძებნა საკმაოდ დიდ დროს გრძელდება და თან ახლავს ცხარე დისკუსიები ფიზიკოსებს შორის. იმისათვის, რომ ცერნმა თავისი კვლევა საზოგადოებამდე მიიტანოს, ინიცირებულია ბნელი მატერიის დღეც კი, რომელიც დღეს, 31 ოქტომბერს პირველად აღინიშნება.

ბნელი მატერიის არსებობის მომხრეები წარმოადგენენ საკმაოდ დამაჯერებელ არგუმენტებს, რომლებიც დადასტურებულია ექსპერიმენტული ფაქტებით. მისი აღიარება დაიწყო მე-20 საუკუნის 30-იან წლებში, როდესაც შვეიცარიელმა ასტრონომმა ფრიც ცვიკიმ გაზომა სიჩქარე, რომლითაც კომას გროვის გალაქტიკები მოძრაობენ საერთო ცენტრის გარშემო. მოგეხსენებათ, მოძრაობის სიჩქარე დამოკიდებულია მასაზე. მეცნიერის გამოთვლებმა აჩვენა, რომ გალაქტიკების ნამდვილი მასა გაცილებით მეტი უნდა იყოს, ვიდრე ტელესკოპების გამოყენებით დაკვირვების დროს დადგინდა. აღმოჩნდა, რომ გალაქტიკების საკმაოდ დიდი ნაწილი ჩვენთვის უბრალოდ არ ჩანდა. მაშასადამე, იგი შედგება მატერიისგან, რომელიც არ ირეკლავს და არ შთანთქავს სინათლეს.

ფარული მასის არსებობის მეორე დადასტურება არის სინათლის ცვლილება გალაქტიკებში გავლისას. ფაქტია, რომ მასის მქონე ნებისმიერი ობიექტი ამახინჯებს სინათლის სხივების სწორხაზოვან გზას. ამრიგად, ბნელი მატერია თავის ცვლილებებს შეიტანს სინათლის სურათზე (შორეული ობიექტის გამოსახულება) და ის განსხვავდება სურათისგან, რომელიც შეიქმნებოდა მხოლოდ ხილული მატერიით. ბნელი მატერიის არსებობის ათი მტკიცებულება არსებობს, მაგრამ ეს ორი მთავარია.

© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS

© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS

მიუხედავად იმისა, რომ ბნელი მატერიის არსებობის მტკიცებულებები საკმაოდ დამაჯერებელია, ჯერ არავის უპოვია ან შესწავლილი ნაწილაკები, რომლებიც მას ქმნიან. ფიზიკოსები ვარაუდობენ, რომ ეს საიდუმლოება ორი მიზეზით არის განპირობებული. პირველი ის არის, რომ ამ ნაწილაკებს აქვთ ძალიან მაღალი მასა (ენერგეტიკასთან დაკავშირებული E=mc² ფორმულით), ამიტომ თანამედროვე ამაჩქარებლების შესაძლებლობები უბრალოდ არ არის საკმარისი ასეთი ნაწილაკების „დაბადებისთვის“. მეორე მიზეზი ბნელი მატერიის გაჩენის ძალიან დაბალი ალბათობაა. შესაძლოა, ჩვენ ვერ ვიპოვოთ ის ზუსტად იმიტომ, რომ ის უკიდურესად სუსტად ურთიერთქმედებს ადამიანის სხეულთან და ჩვენთვის ცნობილ ნაწილაკებთან. მიუხედავად იმისა, რომ ბნელი მატერია ყველგან არის (გათვლებით) და მისი ნაწილაკები ფაქტიურად ყოველ წამს ჩქარობენ ჩვენში, ჩვენ ამას უბრალოდ არ ვგრძნობთ.

რუსი ფიზიკოსები ამბობენ, რომ სამყაროს ბნელი მატერია "წონაში იკლებს".ბნელი მატერიის რაოდენობა სამყაროში შემცირდა დაახლოებით 2-5%-ით, რამაც შეიძლება აიხსნას ზოგიერთი მნიშვნელოვანი კოსმოლოგიური პარამეტრის მნიშვნელობების შეუსაბამობა დიდი აფეთქების დროს და დღეს.

ბნელი მატერიის ნაწილაკების აღმოსაჩენად, მეცნიერები იყენებენ დეტექტორებს, რომლებიც განლაგებულია მიწისქვეშეთში, რათა მინიმუმამდე დაიყვანონ ზედმეტი ჩარევა. ვარაუდობენ, რომ ზოგჯერ ბნელი მატერიის ნაწილაკები კვლავ ეჯახება ატომის ბირთვებს, გადასცემს მათ იმპულსის ნაწილს, არღვევს ელექტრონებს და იწვევს სინათლის ციმციმებს. ასეთი შეჯახების სიხშირე დამოკიდებულია ბნელი მატერიის ნაწილაკების ბირთვთან ურთიერთქმედების ალბათობაზე, მათ კონცენტრაციაზე და შედარებით სიჩქარეზე (დედამიწის მოძრაობის გათვალისწინებით მზის გარშემო). მაგრამ ექსპერიმენტული ჯგუფები, თუნდაც ისინი აღმოაჩინონ რაიმე ეფექტი, უარყოფენ, რომ ბნელმა მატერიამ გამოიწვია დეტექტორის ეს რეაქცია. და მხოლოდ იტალიური ექსპერიმენტული ჯგუფი DAMA, რომელიც მუშაობს გრან სასოს მიწისქვეშა ლაბორატორიაში, იუწყება სიგნალების დათვლის სიჩქარის ყოველწლიური ცვალებადობა, რომელიც სავარაუდოდ დაკავშირებულია დედამიწის მოძრაობასთან გალაქტიკურ ფარულ მასაში.

© ფოტო: SuperCMDS Collaboration

ამ ექსპერიმენტში დეტექტორის შიგნით სინათლის ციმციმების რაოდენობა და ენერგია იზომება რამდენიმე წლის განმავლობაში. მკვლევარებმა დაამტკიცეს სუსტი (დაახლოებით 2%) წლიური რყევების არსებობა ასეთი მოვლენების დათვლის მაჩვენებელში.

მიუხედავად იმისა, რომ იტალიური ჯგუფი თავდაჯერებულად იცავს ექსპერიმენტების სანდოობას, მეცნიერთა მოსაზრებები ამ საკითხთან დაკავშირებით საკმაოდ ორაზროვანია. იტალიური ჯგუფის მიერ მიღებული შედეგების მთავარი სისუსტე მათი განუმეორებლობაა. მაგალითად, როდესაც გრავიტაციული ტალღები აღმოაჩინეს, ისინი აღმოაჩინეს ლაბორატორიებმა მთელს მსოფლიოში, რითაც დაადასტურა სხვა ჯგუფების მიერ მიღებული მონაცემები. DAMA-ს შემთხვევაში სხვა სიტუაციაა - მსოფლიოში ვერავინ დაიკვეხნის იგივე შედეგებით! რა თქმა უნდა, არ არის გამორიცხული, რომ ამ ჯგუფს ჰქონდეს უფრო ძლიერი დეტექტორები ან საკუთარი მეთოდები, მაგრამ ექსპერიმენტის ეს უნიკალურობა ზოგიერთ მკვლევარს ეჭვს ბადებს მის სანდოობაში.

„ჯერჯერობით შეუძლებელია ზუსტად იმის თქმა, თუ რას ეხება გრან სასოს ლაბორატორიაში შეგროვებული მონაცემები. ყოველ შემთხვევაში, იტალიიდან ჯგუფმა დადებითი შედეგი მოგვცა და არა რაღაცის უარყოფა, რაც უკვე სენსაციაა. ახლა სიგნალები აღმოაჩინეს. საჭიროა ახსნა-განმარტების მოძიება და ეს არის დიდი სტიმული სხვადასხვა თეორიების შემუშავებისთვის, მათ შორის ფარული მასის მოდელის შესაქმნელად. მაგრამ მაშინაც კი, თუ მეცნიერი ცდილობს ახსნას, თუ რატომ არ არის დაკავშირებული მიღებული მონაცემები. ბნელი მატერიისკენ, ეს მაინც შეიძლება გახდეს ახალი ნაბიჯი ბუნების გაგებაში. ნებისმიერ შემთხვევაში, შედეგი არის და ჩვენ უნდა გავაგრძელოთ მუშაობა. მაგრამ ამ მომენტში, მე პირადად ვერ დაგეთანხმები, რომ ბნელი მატერია იპოვეს. ”- ამბობს კონსტანტინე. ბელოტსკი, ეროვნული კვლევითი ბირთვული უნივერსიტეტის MEPhI ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკის დეპარტამენტის წამყვანი მკვლევარი.

თეორიული კონსტრუქცია ფიზიკაში, სახელწოდებით სტანდარტული მოდელი, აღწერს მეცნიერებისთვის ცნობილი ყველა ელემენტარული ნაწილაკების ურთიერთქმედებას. მაგრამ ეს არის სამყაროში არსებული მატერიის მხოლოდ 5%, დანარჩენი 95% სრულიად უცნობი ხასიათისაა. რა არის ეს ჰიპოთეტური ბნელი მატერია და როგორ ცდილობენ მეცნიერები მის აღმოჩენას? ამის შესახებ სპეციალური პროექტის ფარგლებში MIPT-ის სტუდენტი და ფიზიკისა და ასტროფიზიკის დეპარტამენტის თანამშრომელი ჰაიკ ჰაკობიანი საუბრობს.

ელემენტარული ნაწილაკების სტანდარტული მოდელი, რომელიც საბოლოოდ დადასტურდა ჰიგსის ბოზონის აღმოჩენის შემდეგ, აღწერს ჩვენთვის ცნობილი ჩვეულებრივი ნაწილაკების ფუნდამენტურ ურთიერთქმედებებს (ელექტრო სუსტი და ძლიერი): ლეპტონები, კვარკები და ძალის მატარებლები (ბოზონები და გლუონები). თუმცა, გამოდის, რომ მთელი ეს უზარმაზარი რთული თეორია აღწერს მატერიის მხოლოდ 5-6%-ს, დანარჩენი კი ამ მოდელში არ ჯდება. ჩვენი სამყაროს ადრეულ მომენტებზე დაკვირვება გვიჩვენებს, რომ ჩვენს გარშემო არსებული მატერიის დაახლოებით 95% სრულიად უცნობი ხასიათისაა. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ჩვენ ირიბად ვხედავთ ამ ფარული მატერიის არსებობას მისი გრავიტაციული გავლენის გამო, მაგრამ ჯერ ვერ მოვახერხეთ მისი პირდაპირ დაჭერა. ამ ფარული მასის ფენომენს კოდური სახელი ჰქვია "ბნელი მატერია".

თანამედროვე მეცნიერება, განსაკუთრებით კოსმოლოგია, მუშაობს შერლოკ ჰოლმსის დედუქციური მეთოდის მიხედვით

ახლა მთავარი კანდიდატი WISP ჯგუფიდან არის აქსიონი, რომელიც წარმოიქმნება ძლიერი ურთიერთქმედების თეორიაში და აქვს ძალიან მცირე მასა. ასეთ ნაწილაკს შეუძლია გადაიქცეს ფოტონ-ფოტონურ წყვილად მაღალ მაგნიტურ ველებში, რაც იძლევა მინიშნებებს იმის შესახებ, თუ როგორ შეიძლება სცადოთ მისი აღმოჩენა. ADMX ექსპერიმენტი იყენებს დიდ კამერებს, რომლებიც ქმნიან 80000 გაუსის მაგნიტურ ველს (ეს 100000-ჯერ მეტია დედამიწის მაგნიტურ ველზე). თეორიულად, ასეთმა ველმა უნდა გაააქტიუროს აქსიონის დაშლა ფოტონ-ფოტონურ წყვილად, რომელიც დეტექტორებმა უნდა დაიჭირონ. მიუხედავად მრავალი მცდელობისა, ჯერ ვერ მოხერხდა WIMP-ების, აქსიონებისა თუ სტერილური ნეიტრინოების აღმოჩენა.

ამრიგად, ჩვენ ვიმოგზაურეთ უამრავ სხვადასხვა ჰიპოთეზაში, რომლებიც ცდილობდნენ აეხსნათ ფარული მასის უცნაური არსებობა და, დაკვირვების დახმარებით უარვყავით ყველა შეუძლებლობა, მივედით რამდენიმე შესაძლო ჰიპოთეზამდე, რომლებთანაც უკვე შეგვიძლია მუშაობა.

მეცნიერებაში უარყოფითი შედეგიც შედეგია, რადგან ის იძლევა შეზღუდვებს ნაწილაკების სხვადასხვა პარამეტრებზე, მაგალითად, გამორიცხავს შესაძლო მასების დიაპაზონს. წლიდან წლამდე სულ უფრო მეტი ახალი დაკვირვებები და ექსპერიმენტები ამაჩქარებლებში იძლევა ახალ, უფრო მკაცრ შეზღუდვებს ბნელი მატერიის ნაწილაკების მასაზე და სხვა პარამეტრებზე. ამრიგად, ყველა შეუძლებელი ვარიანტის გამოდევნით და ძიების წრის ვიწროვებით, დღითიდღე უფრო ვუახლოვდებით იმის გარკვევას, თუ რისგან შედგება ჩვენი სამყაროს მატერიის 95%.