Fizicienii aflați la vânătoarea mâinii invizibile care formează universul nostru și galaxiile din interiorul său și-au îndreptat privirea spre partea întunecată. Mai exact, o echipă caută în spatele fiecărei roci cosmice așa-numitele fotoni întunecate, care ar putea transmite o forță a naturii necunoscută anterior.
Acești fotoni ar intermedia interacțiunea dintre toată materia normală și materialele invizibile numite materie întunecată.
Dar oamenii de știință au înțeles de multă vreme că natura este întinsă, trasă și spulberată și sfâșiată de patru forțe cunoscute, deci cum ar putea o altă forță să ne fi ascuns atât de mult timp? Aceste patru forțe cunoscute alcătuiesc piatra de temelie a existenței noastre de zi cu zi: forța nucleară puternică, dar de scurtă durată, care leagă nucleele atomice; forța nucleară slabă, obscură și liniștită, care controlează descompunerea radioactivă și vorbește cu particulele subatomice numite neutrino; forța electromagnetică îndrăzneață și strălucitoare, care ne domină viețile; și forța gravitațională subtilă, de departe cea mai slabă a cvartetului.
Folosind aceste patru forțe fundamentale, fizicienii sunt capabili să picteze un portret al lumilor noastre subatomice și macroscopice. Nu există nicio interacțiune care să nu implice unul dintre aceste patru personaje. Și totuși, misterele încă abundă în ceea ce privește interacțiunile din universul nostru, în special pe cele mai mari scări. Când ne apropiem de scala galaxiilor și nu numai, se întâmplă ceva peșteș, și îi dăm acelei peștiri numele de materie întunecată.
Materia întunecată este simplă și neadormită sau ascunde o mulțime de forțe necunoscute anterior în ghearele sale? Acum, o echipă internațională de fizicieni, care își descrie activitatea online în jurnalul de presă arXiv, a folosit o groapă de date de la Large Hadron Collider - cel mai mare distrugător de atomi din lume - pentru a căuta o astfel de forță. Deocamdată, căutarea lor s-a arătat goală - ceea ce este bun (fel de): Înseamnă că legile noastre fizice cunoscute rămân în continuare. Dar încă nu putem explica materia întunecată.
Pierdut în întuneric
Materia întunecată este o formă ipotetică a materiei despre care se spune că reprezintă aproximativ 80% din masa totală a universului. Este cam mare. Nu știm cu adevărat care este responsabil pentru toate aceste lucruri suplimentare invizibile, dar știm că există și cel mai mare indiciu al nostru este gravitația. Examinând mișcările stelelor în cadrul galaxiilor și galaxiilor din grupuri, împreună cu evoluția celor mai mari structuri din cosmos, astronomii au ajuns aproape în mod universal la concluzia că nu există mai mult decât îndeplinește ochiul galactic.
Un nume mai bun pentru materia întunecată ar putea fi materia invizibilă. În timp ce o putem deduce din influența sa gravitațională (pentru că nimic nu scapă ochiului atotcuprinzător al lui Albert Einstein), materia întunecată pur și simplu nu interacționează cu lumina. Știm acest lucru deoarece dacă materia întunecată ar interacționa cu lumina (sau cel puțin, dacă ar interacționa cu lumina în modul în care o face materia familiară), am fi văzut până acum substanța misterioasă. Însă, din câte putem spune, materia întunecată - oricare ar fi ea - nu absoarbe lumina, nu reflectă lumina, refractă lumina, împrăștie lumina sau nu emite lumină. Pentru materia întunecată, lumina este pur și simplu persona non grata; la fel de bine nici nu ar exista.
Și, deci, există o șansă solidă ca legiuni de particule de materie întunecată să-ți curgă în corp acum. Masa combinată a acestui flux nesfârșit poate modela destinele galaxiilor prin influență gravitațională, dar trece prin materie normală fără măcar o salut. Nepoliticos, știu, dar asta este problema întunecată pentru tine.
Aducând lumina
Din moment ce nu știm din ce materie întunecată este făcut, suntem liberi să formăm tot felul de scenarii, atât mondene, cât și fanteziste. Cea mai simplă imagine a materiei întunecate spune că este mare și de bază. Da, constituie marea majoritate a masei universului, dar ea constă dintr-o singură particulă extrem de prolifică care nu face altceva decât să aibă masă. Asta înseamnă că materialul se poate face cunoscut prin gravitație, dar altfel nu interacționează niciodată prin niciuna dintre celelalte forțe. Niciodată, nu vom vedea niciodată o problemă întunecată, făcând altceva.
Scenariile fanteziste sunt mai distractive.
Când teoreticienii se plictisesc, pregătesc idei pentru ceea ce poate fi materia întunecată și, mai important, cum am putea să o detectăm. Următorul nivel pe scala teoriilor interesante asupra materiei întunecate spune că substanța poate vorbi ocazional cu materia normală prin forța nucleară slabă. Această idee motivează astăzi experimente și detectoare de materii întunecate din întreaga lume.
Dar totuși, acel scenariu presupune că există încă doar patru forțe ale naturii. Dacă materia întunecată este un fel de particule nevăzute anterior, atunci este perfect rezonabil să sugereze (pentru că nu avem idee dacă avem dreptate sau nu) că vine la pachet cu o forță a naturii necunoscută anterior - sau poate un cuplu, care știe ? Această forță potențială ar putea lăsa materia întunecată să vorbească doar cu materia întunecată sau ar putea împleti materia întunecată și energia întunecată (ceea ce noi nu înțelegem), sau ar putea deschide un nou canal de comunicare între sectoarele normale și cele întunecate ale universului nostru .
Creșterea fotonului întunecat
Un portal de comunicare propus între tărâmurile lumină și întuneric este ceva numit foton întunecat, analog fotonului familiar (ușor) al forței electromagnetice. Nu ajungem să vedem sau să gustăm sau să nu mirosim fotonii întunecați direct, dar s-ar putea să se amestece cu lumea noastră. În acest scenariu, materia întunecată emite fotoni întunecați, care sunt particule relativ masive. Acest lucru înseamnă că au efecte doar pe o gamă scurtă, spre deosebire de omologii lor purtători de lumină. Dar, ocazional, un foton întunecat ar putea interacționa cu un foton obișnuit, schimbându-și energia și traiectoria.
Acesta ar fi un eveniment foarte rar; altfel, am fi observat ceva funky care se întâmplă cu electromagnetismul cu mult timp în urmă.
Deci, chiar și cu fotoni întunecați, nu am putea vedea în mod direct materia întunecată, dar am putea înțelege existența fotonilor întunecați examinând gob-uri ale interacțiunilor electromagnetice. Într-o fracțiune minusculă din acei gob, un foton întunecat ar putea „fura” energie dintr-un foton obișnuit, interacționând cu acesta.
Dar cum am spus, avem nevoie de interacțiuni. La fel se întâmplă că am construit mașini uriașe ale științei pentru a produce exact asta, așa că avem noroc.
În lucrarea arXiv, fizicienii și-au raportat rezultatele după ce au examinat date în valoare de trei ani de la Super Proton Synchrotron, cel de-al doilea cel mai mare accelerator de particule de la CERN. Pentru acest experiment, oamenii de știință au zdrobit protonii împotriva echivalentului subatomic al unui zid de cărămidă și au privit toate piesele care au urmat.
În epave, cercetătorii au găsit electroni - mulți dintre ei. Pe parcursul a trei ani, oamenii de știință au numărat peste 20 de miliarde de electroni cu energii de peste 100 GeV. Deoarece electronii sunt particule încărcate și le place să interacționeze unul cu celălalt, electronii cu energie mare din acest experiment au generat de asemenea mulți fotoni. Dacă fotonii întunecați există, atunci ar trebui să interacționeze uneori cu și să fure energie de la unul dintre fotonii obișnuiți, un fenomen care se va arăta în experiment ca fiind o lipsă de lumină.
Această căutare de fotoni întunecați a rămas goală - toate fotonii obișnuiți au fost prezenți și contabilizați - dar asta nu exclude în totalitate existența fotonilor întunecați. În schimb, plasează limite asupra proprietăților admisibile ale acestor particule. Dacă există, acestea ar fi cu energie scăzută (mai puțin decât un GeV, pe baza rezultatelor experimentului) și ar interacționa doar rareori cu fotoni obișnuiți.
Căutarea fotonilor întunecați continuă, însă, cu urmările viitoare ale experimentului setat acasă, chiar mai departe de această creatură propusă a lumii subatomice.
Citiți mai multe: „Căutare în materie întunecată în evenimente energetice care lipsesc cu NA64”
Paul M. Sutter este astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio, gazda "Întrebați un Spaceman" și "Radio spațială, "și autorul"Locul tău în Univers."
