|
Бессмысленный поиск темной материи
|
|
|
|
Что, если я скажу вам, что, хотя вы и не можете видеть темную материю, возможно, вы ее слышите? Я знаю, это звучит безумно... и это действительно безумие. Но это достаточно безумно, чтобы это могло сработать. Это реальный эксперимент, который называется... дайте—ка подумать... Поиск редких криогенных событий с помощью сверхпроводящих термометров, или CRESST - это двойная буква s, если вы этого не поняли. Послушайте, это не самая удачная аббревиатура, но мы просто воспользуемся ею.
|
|
|
|
Эксперимент проводится глубоко под горой Гран-Сассо в центральной Италии (кстати, Гран-Сассо по-итальянски означает "великая скала", на случай, если вам понадобятся дополнительные мелочи на вашем следующем свидании) и состоит из гигантского кристалла вольфрамата кальция, также известного как шеелит. Кристалл охлаждается всего до нескольких милликельвинов, то есть находится на грани своего сверхпроводящего состояния.
|
|
|
|
Идея заключается в том, что если частица темной материи случайно столкнется с детектором, это заставит кристалл вибрировать (в конце концов, энергия должна куда-то уходить), что нарушит сверхпроводящее состояние и приведет к обнаружению.
|
|
|
|
CRESST работает уже много лет, и ему еще предстоит подтвердить обнаружение частиц темной материи. Но в науке эксперимент считается неудачным только в том случае, если вы чему-то не научитесь, и мы определенно узнали о темной материи благодаря эксперименту CRESST. В частности, мы узнали, чем не является темная материя.
|
|
|
|
|
|
|
В опубликованных статьях об экспериментах по обнаружению темной материи вы часто найдете диаграммы, которые выглядят примерно так. Помните, что мы не знаем, что это за частица темной материи. У нас есть некоторые предположения, основанные на различных теориях и концепциях, но, в конечном счете, мы не знаем точных свойств этой частицы. В частности, мы не знаем ее массы или того, насколько легко / редко она взаимодействует с обычной материей.
|
|
|
|
У нас есть некоторые ограничения в наших наблюдениях за более широкой Вселенной, и мы смогли исключить множество возможностей, таких как нейтрино. Но после этого все будет по-честному. Это означает, что у нас есть две работы. С одной стороны, нам нужно найти разумных и хорошо мотивированных кандидатов, что требует большого количества творческих мозговых штурмов, теоретизирования и догадок. А с другой стороны, нам нужно провести эксперименты, которые позволят исключить конкретных кандидатов, или, если это не удастся, установить более точные ограничения на то, какими свойствами может обладать темная материя.
|
|
|
|
Вот как мы в конечном итоге получаем подобные графики, которые показывают, как этот конкретный эксперимент исключил определенные диапазоны масс и силу взаимодействия темной материи. Просто проведя эксперимент и ничего не увидев через некоторое время, вы можете с уверенностью сказать, какие свойства темной материи исключены: вы можете сказать, что темная материя НЕ МОЖЕТ быть такой-то массы с такой-то силой взаимодействия. И затем вы проделываете это снова, и снова, и снова. И, конечно, вы проводите не только один эксперимент. Помните, что темная материя может обладать самыми разными массами и силой взаимодействия, и ни один эксперимент не способен охватить весь диапазон.
|
|
|
|
Возможная масса частицы темной материи может составлять более 50 порядков. Поскольку это частица, нам нужно использовать язык физики элементарных частиц, который означает, что мы выражаем массу в электрон-вольтах, или эВ. По большому счету, отдельная частица темной материи может весить 1024-1030 эВ, что находится где-то между массой бактерии и небольшого насекомого. Как правило, мы не думаем, что частицы темной материи могут быть намного крупнее этой величины, потому что все, что имеет массу, скажем, планеты или звезды, уже было бы обнаружено при наблюдении гравитационного линзирования.
|
|
|
|
На другом конце спектра мы можем получить сверхлегкие частицы темной материи, мощность которых может достигать 10^-21 электрон-вольт, что открывает некоторые действительно интересные возможности, о которых я расскажу немного позже.
|
|
|
|
Но на протяжении десятилетий нашим главным кандидатом на роль темной материи был WIMP, эта слабо взаимодействующая массивная частица, масса которой, как мы думали, составляла несколько миллиардов или триллионов электрон-вольт, что соответствует массам известных тяжелых частиц, таких как W- и Z-бозоны и топ-кварк. Такой большой, но не слишком большой. Нам понравился WIMP, потому что различные теоретические дополнения к стандартной модели предсказывали существование частицы в этом диапазоне масс и с нужными свойствами (то есть в основном невидимой).
|
|
|
|
Я никогда не перестану повторять: слабаки - не самая лучшая идея во всей физике, и вся гипотеза о темной материи построена на косвенных доказательствах. Но из всех имеющихся у нас вариантов это наименее плохой. Это ПРОСТЕЙШЕЕ объяснение наибольшего числа наблюдений. Это выражение этой концепции, которое мы часто используем в физике, - бережливость. Мы относимся к теоретическим идеям как аспиранты: как нам получить максимальную отдачу от работы при наименьших усилиях или как получить максимальную объяснительную силу из наименьшего числа возможных предположений.
|
|
|
|
Гипотеза о темной материи имеет свои недостатки и, безусловно, не способна объяснить все наблюдения, а слабаки - это всего лишь на волосок выше обычных сказочных частиц. Но любая другая гипотеза содержит больше предположений (больше движущихся частей) и меньше объяснительной силы (соответствует меньшему количеству наблюдений).
|
|
|
|
Так что... пожимай плечами... Слабаки они и есть слабаки.
|
|
|
|
До тех пор, пока этого не произойдет. Это потому, что мы можем целый день приводить любые аргументы, какие захотим, о бережливости, наблюдениях и альтернативах, но в науке природа является главным арбитром в том, какие идеи остаются, а какие уходят. Нам нужна прямая, тщательная экспериментальная проверка, если мы хотим продолжить изучение истории темной материи, и именно поэтому мы проводили эксперименты, подобные CRESST, — чтобы поохотиться на слабаков, получить несколько нобелевских премий и перейти к другим захватывающим неразгаданным космологическим головоломкам.
|
|
|
|
Мы провели десятки экспериментов по прямому обнаружению по всему миру в поисках WIMP — частиц темной материи в этом конкретном диапазоне масс. И это не все эксперименты одинакового типа. Существуют также сцинтилляторы, в которых используется гигантский резервуар со сжиженным инертным газом, например, с несколькими тоннами ксенона. Они ждут, когда частица темной материи ударит по ксенону и заставит его заискриться, что в науке называется "искрение". Мы видим блеск, мы обнаруживаем темную материю.
|
|
|
|
Вимпы не одиноки. Это всего лишь один из примеров более широкого класса кандидатов в темную материю с такими восхитительными названиями, как Q-шары, вимпзиллы и стерильные нейтрино. Мы настроили наши различные эксперименты таким образом, чтобы зафиксировать различные диапазоны масс или силы взаимодействия, чтобы охватить как можно больший спектр темной материи. Мы даже пытались создать различные виды темной материи в наших экспериментах на коллайдере элементарных частиц.
|
|
|
|
И мы ничего не нашли.
|
|
|
|
Источник
|
