Fizičari u lovu na nevidljivu ruku koja oblikuje naš svemir i galaksije u njemu usmjerili su pogled prema tamnoj strani. Naime, jedna ekipa gleda iza svake kozmičke stijene za takozvane tamne fotone, koji bi mogli prenijeti ranije nepoznatu silu prirode.
Ti bi fotoni posredovali interakciju između normalne materije i nevidljive stvari koja se naziva tamna materija.
Ali znanstvenici su odavno shvatili da se priroda rasteže i povlači, razmazuje i razdire četiri poznate sile, pa kako bi se druga sila mogla tako dugo skrivati od nas? Te četiri poznate sile čine kamen temeljac našeg svakodnevnog postojanja: tiranska, ali kratkotrajna jaka nuklearna sila koja veže atomska jezgra zajedno; opskurna i šaputava slaba nuklearna sila koja kontrolira radioaktivno raspadanje i razgovara sa subatomskim česticama koje se nazivaju neutrini; smjela i svijetla elektromagnetska sila koja dominira nad našim životima; i suptilna gravitaciona sila, daleko najslabija u kvartetu.
Korištenjem ove četiri temeljne sile fizičari su sposobni naslikati portret naših subatomskih i makroskopskih svjetova. Ne postoji interakcija koja ne uključuje jednog od ta četiri znaka. Pa ipak, još uvijek obiluju misterije glede interakcija u našem svemiru, posebno na najvećim mjerilima. Kad smanjimo prikaz na skali galaksija i šire, nešto se ribasto događa, a toj ribarskoj prirodi dajemo naziv tamna tvar.
Je li tamna tvar jednostavna i neobuzdana ili ona skriva mnoštvo nepoznatih sila u svojim rukama? Sada, međunarodni tim fizičara, opisujući svoj rad na mreži u časopisu za tiskanje arXiv, upotrijebio je deponiju podataka sa Velikog hadronskog sudarača - najvećeg svjetskog razbijača atoma - da bi potražio takvu silu. Za sada se njihova pretraga pretvorila u prazno - što je dobro (vrsta): to znači da se naši poznati zakoni fizike još uvijek drže. Ali još uvijek ne možemo objasniti tamnu materiju.
Izgubljeni u mraku
Tamna materija hipotetički je oblik materije za koju se govori da čini oko 80% ukupne mase svemira. Nekako velika stvar. Zapravo ne znamo što je odgovorno za sve te ekstra nevidljive stvari, ali znamo da postoji, a naš najveći trag je gravitacija. Ispitivanjem kretanja zvijezda unutar galaksija i galaksija unutar klastera, zajedno s evolucijom najvećih struktura u kozmosu, astronomi su gotovo univerzalno došli do zaključka da se galaktičkom oku više nego što susreće.
Bolje ime tamne materije mogla bi biti nevidljiva materija. Iako to možemo zaključiti iz njezinog gravitacijskog utjecaja (jer ništa ne bježi od vida Alberta Einsteina), tamna tvar jednostavno ne djeluje na svjetlost. To znamo jer da je tamna tvar djelovala sa svjetlošću (ili barem, ako je ona djelovala sa svjetlošću na način kako to poznata materija), već bismo vidjeli misterioznu tvar. No, koliko možemo reći, tamna materija - bez obzira na to đavo - ne apsorbira svjetlost, odbija svjetlost, lomljuje svjetlost, ne rasipa svjetlost i ne emitira svjetlost. Za tamnu tvar svjetlost je jednostavno persona non grata; možda čak i ne postoji.
I tako postoji velika vjerojatnost da legije čestica tamne materije upravo teku kroz vaše tijelo. Kombinirana masa tog beskrajnog toka može oblikovati sudbine galaksija putem gravitacijskog utjecaja, ali ona prolazi kroz normalnu materiju, čak ni zdravo. Rude, znam, ali to je za tebe mračna stvar.
Donoseći svjetlost
Budući da ne znamo od čega se sastoji tamna tvar, slobodni smo smisliti sve vrste scenarija, kako svakodnevni tako i fantastični. Najjednostavnija slika tamne materije kaže da je velika i osnovna. Da, čini veliku većinu mase svemira, ali sastoji se od samo jedne, vrlo plodne čestice koja ne radi ništa drugo nego ima masu. To znači da se materijal može očitovati putem gravitacije, ali u suprotnom nikada ne djeluje putem bilo koje druge sile. Nikada nećemo ugledati tamnu materiju radeći bilo što drugo.
Izmišljeni scenariji su zabavniji.
Kad se teoretičari dosade, oni kuhaju ideje o tome što bi mogla biti tamna tvar, i što je još važnije, kako bismo to mogli otkriti. Sljedeća razina ljestvice zanimljivih teorija o tamnoj tvari govori da tvar može povremeno razgovarati s normalnom materijom putem slabe nuklearne sile. Ta ideja danas motivira eksperimente i detektore tamne materije širom svijeta.
No ipak, ovaj scenarij pretpostavlja da još uvijek postoje samo četiri sile prirode. Ako je tamna tvar prethodno nevidljiva vrsta čestica, onda je potpuno razumno sugerirati (jer nemamo pojma jesmo li u pravu ili ne) da dolazi upakirana s nepoznatom prirodnom silom - ili možda s parom, tko zna ? Ova potencijalna sila mogla bi dopustiti tamnoj materiji da razgovara samo s tamnom materijom, ili ona može preplivati tamnu materiju i tamnu energiju (koju također ne razumijemo), ili bi mogla otvoriti novi komunikacijski kanal između normalnog i mračnog sektora našeg svemira ,
Uspon mračnog fotona
Jedan predloženi komunikacijski portal između svijetlog i tamnog područja nešto je što se naziva tamnim fotonom, analogno poznatom (svjetlosnom) fotonu elektromagnetske sile. Tamne fotone ne možemo izravno vidjeti ili okusiti ili namirisati, ali oni bi se mogli miješati s našim svijetom. U ovom scenariju, tamna tvar emitira tamne fotone, koji su relativno masivne čestice. To znači da imaju učinke na samo kratkom dometu, za razliku od njihovih kolega koji nose svjetlost. Ali povremeno bi tamni foton mogao komunicirati s običnim fotonom, mijenjajući njegovu energiju i putanju.
To bi bio vrlo rijedak događaj; u suprotnom, davno bismo primijetili da se nešto elektricno događa s elektromagnetizmom.
Dakle, čak i ako imamo tamne fotone, ne bismo mogli izravno vidjeti tamnu materiju, ali mogli bismo odagnati postojanje tamnih fotona ispitivanjem golubova elektromagnetskih interakcija. U malom djeliću tih golubova, tamni foton mogao je „ukrasti“ energiju iz običnog fotona interakcijom s njim.
Ali kao što sam rekao, trebaju nam interakcije. Jednostavno se dogodilo da smo izgradili divovske Mašine znanosti da bi proizveli upravo to, tako da imamo sreće.
U arXiv papiru fizičari su izvijestili o svojim rezultatima nakon što su tri godine pregledali podatke vrijedne Super Proton Synchrotron, drugi po veličini akcelerator čestica u CERN-u. Za ovaj eksperiment, znanstvenici su razbili protone na subatomskom ekvivalentu ciglenog zida i pregledali sve dijelove poslije.
U olupini su istraživači pronašli elektrone - puno ih je. Tijekom tri godine, znanstvenici su brojali više od 20 milijardi elektrona s energijom većom od 100 GeV. Budući da su elektroni nabijene čestice i vole međusobno djelovati, visokoenergetski elektroni su u ovom eksperimentu također iznjedrili puno fotona. Ako postoje tamni fotoni, oni bi ponekad trebali komunicirati i krasti energiju iz jednog od redovnih fotona, fenomena koji bi se u eksperimentu pokazao kao nedostatak svjetla.
Ova pretraga tamnih fotona pojavila se prazna - svi normalni fotoni bili su prisutni i evidentirani - ali to ne isključuje u potpunosti postojanje tamnih fotona. Umjesto toga, ona postavlja ograničenja na dopuštena svojstva tih čestica. Ako postoje, bili bi niskoenergetski (manji od GeV, na temelju rezultata eksperimenta) i rijetko bi komunicirali s redovitim fotonima.
Pretraživanje tamnih fotona nastavlja se, međutim, budući pokusi eksperimenta koji se postavljaju još više na ovom predloženom stvorenju subatomskog svijeta.
Pročitajte još: "Pretraživanje mračne materije u nedostajućim energetskim događajima s NA64"
Paul M. Sutter je astrofizičar na Državno sveučilište Ohio, domaćin "Pitajte svemira" i "Svemirski radio, "i autor"Vaše mjesto u svemiru."
