Otprilike 80% sve materije u kozmosu je oblika potpuno nepoznatog trenutnoj fizici. Mi to nazivamo tamnom materijom, jer najbolje što možemo reći je ... tamna. Eksperimenti širom svijeta pokušavaju uhvatiti zalutalu česticu tamne materije u nadi da će je razumjeti, ali do sada su postali prazni.
Nedavno je tim teoretičara predložio novi način lova na tamnu tvar koristeći čudne "čestice" nazvane magnoni, ime koje nisam samo izmislio. Te sitne pukotine mogle bi iz skrivanja izvući čak i kratkotrajnu, laganu česticu tamne materije, kažu oni teoretičari.
Zagonetka tamne materije
Znamo sve vrste stvari o tamnoj materiji, s izuzetkom onoga što jest.
Iako ga ne možemo izravno otkriti, dokaze tamne materije vidimo čim otvorimo svoje teleskope u širi svemir. Prvo otkrivenje, još u tridesetima, bilo je promatranjem nakupina galaksija, nekih od najvećih struktura u svemiru. Galaksije koje su ih nastanjivale jednostavno su se kretale prebrzo da bi se držale zajedno kao grozd. To je zato što kolektivna masa galaksija daje gravitacijsko ljepilo koje drži grozd zajedno - što je veća masa, to je ljepilo jače. Super čvrsto ljepilo može držati zajedno čak i galaksije koje se najbrže kreću. Bilo koji brži i grozd bi se jednostavno raspao.
Ali tamo su grozdovi bili postojeći, a galaksije su se unutar njih zujale daleko brže nego što bi trebale dati masu grozda. Nešto je imalo dovoljan gravitacijski zahvat da drži grozdove zajedno, ali nešto nije svjetlo ili interakcija sa svjetlošću.
Ta misterija se neprekidno održavala tijekom desetljeća, a 1970-ih astronomica Vera Rubin uvelike je povećala ante kroz promatranje zvijezda unutar galaksija. Ponovo su se stvari kretale prebrzo: S obzirom na njihovu promatranu masu, galaksije u našem svemiru su se trebale razdvojiti prije nekoliko milijardi godina. Nešto ih je držalo na okupu. Nešto neviđeno.
Priča se ponavlja u cijelom kozmosu, kako u vremenu tako i u prostoru. Od najranijeg svjetla od Velikog praska do najvećih građevina u svemiru, nešto je zabavno.
Traži u mraku
Dakle, tamne materije je tu jako puno - jednostavno ne možemo pronaći nijednu drugu održivu hipotezu koja bi objasnila cunami podataka u prilog njegovom postojanju. Ali što je to? Naše najbolje pretpostavljamo da je tamna tvar neka nova, egzotična čestica, do sada nepoznata fizici. Na ovoj slici tamna tvar preplavljuje svaku galaksiju. Zapravo, vidljivi dio galaksije, gledan kroz zvijezde i oblake plina i prašine, samo je maleni svjetionik postavljen na mnogo veću, mračniju obalu. Svaka galaksija sjedi unutar velikog "haloa" kojeg čine zilioni na milijardama čestica tamne materije.
Te čestice tamne materije trenutno teku kroz vašu sobu. Teče kroz vas. Neprekidni kišni tuš o sitnim, nevidljivim česticama tamne materije. Ali jednostavno ih ne primjećujete. Ne komuniciraju sa svjetlošću ili sa nabijenim česticama. Napravljeni ste od nabijenih čestica i vrlo ste prijateljski raspoloženi sa svjetlošću; vi ste nevidljivi za tamnu materiju i tamna materija je nevidljiva za vas. Jedini način na koji „vidimo“ tamnu materiju je putem gravitacione sile; gravitacija primjećuje svaki oblik materije i energije u svemiru, taman ili ne, pa na najvećim mjerilima promatramo utjecaj kombinirane mase svih tih bezbrojnih čestica. Ali ovdje u tvojoj sobi? Ništa.
Osim ako se nadamo, postoji neki drugi način na koji tamna tvar djeluje s nama normalnom materijom. Moguće je da čestica tamne materije, bez obzira na to đavo, također osjeća slabu nuklearnu silu - koja je odgovorna za radioaktivno raspadanje - otvara novi prozor u to skriveno carstvo. Zamislite da izgradite džinovski detektor, samo veliku masu elemenata koji imate pri ruci. Čestice tamne materije teku kroz njega, gotovo sve potpuno bezopasno. Ali ponekad, s rijetkošću ovisno o konkretnom modelu tamne materije, čestica koja prolazi interakcijom s jednom od atomskih jezgara elemenata u detektoru djeluje slabom nuklearnom silom, izbacujući je iz mjesta i čineći čitavu masu detektora tobolac.
Uđite u magnon
Ova eksperimentalna postava funkcionira samo ako je čestica tamne materije relativno teška, što joj daje dovoljno oomfe da izbaci jezgro u jednoj od tih rijetkih interakcija. Ali do sada, niti jedan detektor tamne materije širom svijeta nije vidio trag interakcije, čak ni nakon godina i godina pretraživanja. Kako su eksperimenti utemeljeni, polako su isključena dopuštena svojstva tamne materije. To nije nužno loše; jednostavno ne znamo od čega se stvara tamna tvar, pa što više znamo o čemu se ne radi, jasnija je slika onoga što bi moglo biti.
Ali nedostatak rezultata može biti pomalo zabrinjavajući. Isključeni su najteži kandidati za tamnu tvar, a ako je tajanstvena čestica previše svijetla, to se nikada neće vidjeti u detektorima kao što su postavljeni. To jest, osim ako nema drugog načina na koji tamna tvar može razgovarati s redovitom materijom.
U nedavnom članku objavljenom u internetskom časopisu arXiv, fizičari detaljno opisuju predložene eksperimentalne postavke koje bi mogle uočiti česticu tamne materije u činu promjene spina elektrona (ako to u stvari može učiniti tamna tvar). Pri ovom postavljanju potencijalno se može otkriti tamna tvar, čak i ako je sumnjiva čestica vrlo lagana. To može učiniti stvaranjem takozvanih magnona u materijalu.
Pretvarajte se da imate komadić materijala na temperaturi apsolutne nule. Svi centrifuge - poput sitnih malih magnetnih traka - svih elektrona u toj materiji usmjerit će u istom smjeru. Kako polako podižete temperaturu, neki će se elektroni početi buditi, mahati okolo i nasumično usmjeravati svoje vrtnje u suprotnom smjeru. Što više podižete temperaturu, više elektrona se zavrti - i svaki od tih pokrova samo malo smanjuje magnetsku snagu. Svaka od tih okrnjenih okreta također uzrokuje malo pukotine u materiji energije, a te se perike mogu promatrati kao kvazi čestica, a ne kao istinska čestica, ali nešto što matematikom možete opisati na taj način. Ti kvazipartici poznati su kao "magnoni", vjerojatno zato što su poput sitnih, slatkih malih magneta.
Dakle, ako počnete s stvarno hladnim materijalom, a dovoljno čestica tamne materije udari u materijal i okrenete neke okrete oko, primijetit ćete magtone. Zbog osjetljivosti eksperimenta i prirode interakcija, ovo postavljanje može otkriti laganu česticu tamne materije.
Odnosno, ako postoji.
Paul M. Sutter je astrofizičar na Državno sveučilište Ohio, domaćin Pitajte svemira i Svemirski radio, i autor Vaše mjesto u svemiru.
