Масавае размеркаванне кластара Abell 370., рэканструяванае пры дапамозе гравітацыйнага лінзіравання, паказвае два вялікіх дыфузных арэолу масы, якія адпавядаюць цёмнай матэрыі з двума зліццёвымі кластарамі, каб стварыць тое, што мы бачым тут. Навокал і праз кожную галактыку, кластар і масіўную калекцыю нармальнай матэрыі існуе ў 5 разоў больш цёмнай матэрыі. Але якая прырода гэтай цёмнай матэрыі? Мы яшчэ не ведаем. (NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Швейцарыя), R. Massey (Універсітэт Дарэма, Вялікабрытанія), Hubble SM4 ERO Team і ST-ECF)

Забудзьцеся пра WIMP, Axions і MACHO: Ці можа WIMPzillas вырашыць праблему "цёмная матэрыя"?

Нашы пошукі цёмнай матэрыі яшчэ не даюць трывалага выяўлення. Ці маглі б мы шукаць ва ўсіх няўдалых месцах?

Магчыма, не трэба задаць больш фундаментальнага пытання, чым "з чаго ствараецца Сусвет?" Тое, што мы бачым непасрэдна, пераважае звычайная матэрыя: рэчы, зробленыя з часціц, якія мы добра ведаем, як пратоны, нейтроны і электроны, і фаты, якія яны выпраменьваюць. Але нашы вымярэнні найбуйнейшых структур у Сусвеце паказваюць, што гэта толькі 5% таго, што там. Астатняе - цёмная матэрыя і цёмная энергія. Хоць цёмная энергія можа быць уласцівай самой прасторы, мы мяркуем, што з-за яе гравітацыйнага ўздзеяння цёмная матэрыя кластеруецца, згушчваецца і складаецца з часціц.

Маштабная праекцыя праз аб'ём Illustris пры z = 0, у цэнтры якога самы масіўны кластар, глыбінёй 15 Мпк / г. Паказвае шчыльнасць цёмнай матэрыі (злева), якая пераходзіць да шчыльнасці газу (справа). Маштабная структура Сусвету не можа быць растлумачана без цёмнай матэрыі. (Ілюстрацыя Ілюстрацыі / Ілюстрацыя мадэлявання)

Але што, уласна, цёмная матэрыя? І, акрамя таго, ці можна быць упэўненым, што ён існуе? Існуе велізарны набор дэтэктараў і эксперыментаў, якія шукаюць яго, але пра надзейнае, праверанае і непасрэднае выяўленне ніколі не паведамлялася. Мы не можам адзначыць і сказаць: "гэта была падзея, выкліканая ўзаемадзеяннем з цёмнай матэрыяй". Пераважная большасць дэтэктараў шукае цёмную матэрыю тыпу WIMP, а невялікі кантынгент таксама шукае сякеры. (MACHOs або іншыя крыніцы "звычайнай" цёмнай матэрыі былі выключаны.) Але ўсё гэта можа быць памылковым. Цёмная матэрыя можа быць не з тых рэчаў, якія мы шукаем. На самай справе, спрэчна, што кандыдат з найлепшымі матывацыямі для гэтага наогул не эксперыментуе з іх імем: WIMPzillas!

Абмежаванні па перасеку цёмнай матэрыі / нуклона, уключаючы прагназаваную прагназаваную адчувальнасць XENON1T. Спробы, якія мы рабілі, каб знайсці цёмную матэрыю, абапіраліся на пэўны набор здагадак пра прыроду цёмнай матэрыі. (Этан Браўн з RPI)

Існуе старая гісторыя пра п'янага, які шукае свае ключы пад ліхтарным слупам каля бара. П'яны працягвае шукаць там жа, зноў і зноў, нягледзячы на ​​тое, што не знаходзіў там сваіх ключоў, і, відавочна, там няма ніякіх ключоў. Падыходзіць міліцыянт і пытае п'янага, што ён робіць, і п'яны адказвае: "шукае мае ключы". Міліцыянт пытаецца, чаму ён працягвае шукаць тут, калі відавочна, што іх тут няма. "Таму што там святло!" Зразумела, тут ёсць урок: дадзеныя, якія паказваюць на адсутнасць цёмнай матэрыі тыпу WIMP, не маюць дачынення да доказаў для ўсіх астатніх тыпаў.

Самыя маштабныя назіранні ў Сусвеце: ад касмічнага мікрахвалевага фону да касмічнага палатна да кластараў галактык да асобных галактык, для тлумачэння таго, што мы назіраем, патрабуецца цёмная матэрыя. (Крыс Блэйк і Сэм Мурфілд)

І ўсё ж, поўны набор доказаў астраноміі, астрафізікі і касмалогіі - усё гэта паказвае на неабходнасць цёмнай матэрыі. Для таго, каб атрымаць Сусвет, якую мы бачым і ведаем сёння, у тым ліку і для вас:

  • назіраныя ваганні касмічнага мікрахвалевага фону,
  • дробнамаштабныя кластарныя асаблівасці галактык,
  • профілі кручэння спіральных і эліптычных галактык,
  • гравітацыйныя лінзіруючыя эфекты кластараў галактыкі, а таксама шмат іншых назіранняў,

Вам патрэбен дадатковы тып рэчывы, акрамя таго, што прагназуе Стандартная мадэль: нейкі тып цёмнай матэрыі. Гэта цёмнае рэчыва павінна быць прыблізна ў пяць разоў больш, чым усе звычайныя рэчы (стандартная мадэль) у сукупнасці, яно павінна быць масіўным, павінна збівацца і класціся, і яно павінна рухацца павольна ў параўнанні са хуткасцю святла. Для цёмнай матэрыі існуюць усялякія ўскосныя доказы, але мы ніколі іх непасрэдна не выяўлялі. Для таго, каб даведацца, якая яе прырода на самай справе, нам трэба будзе зрабіць менавіта гэта.

Часціцы і антычасціны Стандартнай мадэлі цяпер былі непасрэдна выяўлены, а апошні раз, Хігг Босан, трапіў у LHC на пачатку гэтага дзесяцігоддзя. (Э. Зігель / За Галактыкай)

Мы добра разумеем Стандартную мадэль фізікі часціц, каб ведаць, як яе часціцы паводзяць сябе, узаемадзейнічаюць і якія іх уласцівасці. З поўнай упэўненасцю можна канстатаваць, што, магчыма, не больш за 1% (у выглядзе нейтрына) ненормальнай цёмнай матэрыі можа быць зроблена з усіх рэчаў са стандартнай мадэлі. Незалежна ад пераважнай большасці цёмных рэчываў, гэта павінна быць штосьці, што не ўваходзіць у стандартную мадэль або за яе межамі. Гэта праблема, таму што стандартная мадэль настолькі паспяховая; ён літаральна апісвае ўсе часціцы, іх узаемадзеянне і ўласцівасці, якія мы калі-небудзь назіралі. Сусвет мае патрэбу ў фізіцы за межамі стандартнай мадэлі, але часціцы, якія мы назіралі, не сведчаць пра тое, што ёсць фізіка, якую мы сустракаем нестандартна.

За выключэннем, гэта значыць, у адным вельмі важным месцы.

Масы кваркаў і лептонаў стандартнай мадэлі. Самая цяжкая стандартная часціца мадэлі - верхні кварк; самы лёгкі ненейтрына - гэта электрон. Самі нейтрына па меншай меры ў 4 мільёны разоў лягчэй, чым электрон: большая розніца, чым існуе паміж усімі іншымі часціцамі (Hitoshi Murayama, http://hitoshi.berkeley.edu/)

Самая вялікая загадка стандартнай мадэлі - масы нейтрына. Усе астатнія часціцы ў стандартнай мадэлі альбо цалкам бязмасштабныя (напрыклад, фатон або глюон), альбо маюць значную масу, якая трапляе дзесьці ў адносна вялікія, але добра пэўныя дыяпазоны. Самая лёгкая часціца, электрон, мае масу каля 511 000 электронаў, а самая цяжкая, верхняя кварка, дзесьці каля 175 000 000 000 эВ. Гэта можа здацца вялікім дыяпазонам, але каэфіцыент менш за 400 000 для пакрыцця ўсіх часціц - даволі добрая справа.

Доўгі час лічылася, што нейтрына таксама бязмасштабнае. Але нядаўнія эксперыменты выявілі, што ўсе тры тыпы - электрон, мю і тау - усе маюць вельмі малыя, але ненулявыя масы, якія важаць дзесьці ў дыяпазоне мілі-электрон-Вольт, ці, па меншай меры, у дзесяць мільёнаў разоў лягчэй, чым электрон!

Мы яшчэ не вымералі абсалютныя масы нейтрына, але мы можам сказаць, чым адрозніваюцца масы ад сонечных і атмасферных вымярэнняў нейтрына. Масштабная вага каля 0,01 эВ, мабыць, адпавядае дадзеным. (Хаміш Робертсан, на сімпозіуме Караліны 2008 г.)

Для часціц, якія, па прагнозах, былі масавымі, гэта праблема! Чаму яны не толькі масавыя, але і чаму іх масы будуць такімі дзівоснымі малюсенькімі? Адна з вядучых ідэй, якую ўпершыню выказалі шэраг навукоўцаў у канцы 1970-х гадоў, - гэта тое, што нейтрынавыя масы могуць працаваць як піла! Разумееце, нейтрына, якія мы бачым, з'яўляюцца ляўшамі, гэта значыць, што, калі вы арыентуецеся ў іх кірунку руху, усе бачаць, што яны круцяцца аднолькава. Сапраўды гэтак жа, што ўсе антынейтрына маюць правую руку.

Але калі вы дапусціце, што ў прыродзе вельмі вялікая маштабная маса, як вялікая шкала аб'яднання, то нейтрына (і левыя, і правыя) маглі мець "нармальную" масу, як і іншыя часціцы Стандартнай мадэлі, дзе яны былі сартаваны -балансаваны на пілавінні. Але потым гэтая цяжкая маса са шкалы аб'яднання ўзнікае, сядзіць на адным баку пілы і расшчапляе іх: левыя нейтрына становяцца вельмі лёгкімі, а правыя нейтрына становяцца вельмі цяжкімі.

Нармальна-масавыя часціцы (зялёнага колеру) прыблізна ўраўнаважваюць пілавінне. Але калі масавая часціца ў маштабнай кішцы (жоўтая) ляжыць з аднаго боку, гэтая бок становіцца цяжкай (як правыя нейтрына), а другая становіцца вельмі лёгкай (як у левых нейтрына, якія мы назіралі). Правыя рукамі зрабілі б цудоўнага кандыдата ў цёмныя рэчы. (Э. Зігель)

Гэта асноўнае тлумачэнне таго, як нейтрына вагаюцца, а таксама як яны набываюць такія малюсенькія (але ненулявыя) масы. Але замест таго, каб выказаць здагадку пра суперсіметрыю, дадатковыя памеры, аксіён ці нейкае іншае экзатычнае рашэнне цёмнай матэрыі, вось цікавая магчымасць: звышцяжкія, правыя нейтрына на самай справе могуць быць цёмнай матэрыяй! Замест таго, каб знаходзіцца ў тым самым дыяпазоне, што і масы нейтрына (як аксіёны), альбо ў тым самым дыяпазоне, што і іншыя часціцы Стандартнай мадэлі (напрыклад, у SUSY або дадатковыя памеры), яны могуць быць звышцяжкія: мільярды ці нават трыльёны разоў цяжэйшыя іншыя часціцы Стандартнай мадэлі. У большасці мадэляў фізікі часціц маштаб гіпотэзычнай уніфікацыі адбываецца каля ~ 10 ~ GeV.

Новы клас кандыдата ў суперцяжкую цёмную матэрыю, які можа ўзнікнуць з дапамогай гэтага альбо любога іншага механізму, напрыклад, гравітацыйна ўзаемадзеяння, мае фантастычную назву (прыдуманы Рокі Колб, Дэніэл Чунг і Тоні Рыята): WIMPzillas!

Мабыць, найвялікшы вобраз кожнага, каб ператварыць яго ў навуковую працу, на малюнку 7 работ Кольба, Чунга і Рыато ад 20 гадоў таму падкрэсліваецца, як можа выглядаць WIMPzilla. Ілюстрацыя не ў маштабе. (Kolb, Chung and Riotto, 1998)

І ўсё ж, праз 20 гадоў пасля таго, як яны былі прапанаваны, існуе нулявыя эксперыменты, якія шукаюць WIMPzillas. П’яніцы, якія шукалі свае ключы пад ліхтарамі, дагэтуль іх не знайшлі: цёмная справа апынулася надзвычай няўлоўнай. Шумныя WIMP, якія яны шукалі, прыблізна па шкале ~ GeV або ~ TeV, не былі створаны ні ў LHC, ні ў эксперыменце прамога выяўлення. У той час як большыя і больш эфектыўныя пошукі дазволяць вам атрымаць больш адчувальны ліміт выключэння для гэтых дыяпазонаў масаў, яны не дапамогуць вам знайсці кандыдатаў з цёмнай матэрыі па-за імі.

І тым не менш, гэта спрэчны масавы дыяпазон, дзе ў нас ёсць лепшая матывацыя для цёмнай матэрыі жыць: у гэтых вельмі высокіх маштабах. Такім чынам, пытанне ў тым, што мы будзем рабіць, рухаючыся наперад? Ці будзем мы далей будаваць вулічныя ліхтары павышанай інтэнсіўнасці, спадзеючыся нарэшце асвятліць гэтыя даўно запатрабаваныя клавішы? Ці паспрабуем мы асвятліць прыцемнены ландшафт, куды мы нават не адважымся зазірнуць? Для пошуку такой цяжкай цёмнай матэрыі няма асабліва добрых, пераканаўчых ідэй, але гэта можа быць менавіта праблема, якую нам трэба ўзламаць, каб даведацца, што на самой справе ёсць цёмная матэрыя.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".