Какво е тъмна материя?

Карта на цялата материя - голяма част от която е невидима тъмна материя - между Земята и ръба на наблюдаваната вселена. Изображение чрез ESA / NASA / JPL-Caltech.

От Дан Хупър от Университета в Чикаго

Последните няколко десетилетия поставиха началото на удивителна ера в науката за космологията. Разнообразен масив от високоточни измервания ни позволи да реконструираме историята на нашата Вселена със забележителни подробности.

И когато сравняваме различни измервания - на скоростта на разширение на Вселената, на моделите на светлина, освободени при образуването на първите атоми, на разпределенията в пространството на галактики и галактически клъстери и на изобилието на различни химически видове - откриваме, че всички те разкажете една и съща история и всички подкрепят една и съща серия от събития.

Тази линия на изследване, честно казано, беше по-успешна, отколкото мисля, че имахме право да се надяваме. Ние знаем повече за произхода и историята на нашата вселена днес, отколкото почти никой преди няколко десетилетия би предположил, че ще научим за толкова кратко време.

Но въпреки тези много значителни успехи, предстои да научим още много неща. И по някакъв начин откритията, направени през последните десетилетия, са породили толкова много нови въпроси, колкото са отговорили.

Един от най-неприятните неща е в основата на това, от което всъщност е изградена нашата вселена. Космологичните наблюдения определят средната плътност на материята в нашата Вселена с много висока точност. Но тази плътност се оказва много по-голяма, отколкото може да се обясни с обикновените атоми.

След десетилетия на измервания и дебати, ние вече сме уверени, че по-голямата част от материята на нашата Вселена - около 84 процента - не е съставена от атоми или от друго известно вещество. Въпреки че можем да усетим гравитационното дърпане на тази друга материя и ясно да кажем, че тя е там, ние просто не знаем какво представлява. Тези мистериозни неща са невидими или поне почти така. Поради липса на по-добро име, ние го наричаме „тъмна материя.“ Но да назовем нещо е много различно от разбирането му.

Астрономите картографират тъмната материя косвено, чрез нейното гравитационно дърпане върху други обекти. Изображение чрез NASA, ESA и D. Coe (NASA JPL / Caltech и STScI).

От почти толкова дълго, колкото знаем, че съществува тъмна материя, физиците и астрономите измислят начини да се опитат да научат от какво е направено. Те са изградили свръхчувствителни детектори, разположени в дълбоки подземни мини, в опит да измерят нежните въздействия на отделни частици от тъмна материя, сблъскващи се с атоми.

Те са изградили екзотични телескопи - чувствителни не към оптична светлина, а към по-малко познати гама лъчи, космически лъчи и неутрино - за да търсят високоенергийното лъчение, което се смята, че се генерира чрез взаимодействието на частици от тъмна материя.

И ние търсихме признаци на тъмна материя, използвайки невероятни машини, които ускоряват лъчите на частиците - обикновено протони или електрони - до възможно най-високите скорости и след това ги разбиваме един в друг в опит да превърнат енергията си в материя. Идеята е тези сблъсъци да създадат нови и екзотични вещества, може би включително видовете частици, които съставляват тъмната материя на нашата вселена.

Както наскоро преди десетилетие, повечето космолози - включително и аз - бяха достатъчно сигурни, че скоро ще започнем да решаваме пъзела с тъмната материя. В крайна сметка на хоризонта имаше амбициозна експериментална програма, която предполагахме, че ще ни позволи да идентифицираме природата на това вещество и да започнем да измерваме неговите свойства. Тази програма включваше най-мощния ускорител на частици в света - Големият адронен колайдер, както и редица други нови експерименти и мощни телескопи.

Експериментите в CERN се опитват да направят нула върху тъмната материя, но засега няма зарове. Изображение чрез CERN.

Но нещата не се развиха по начина, по който ги очаквахме. Въпреки че тези експерименти и наблюдения са проведени толкова добре, или по-добре, отколкото можехме да се надяваме, откритията не дойдоха.

През последните 15 години например експериментите, предназначени да открият отделни частици от тъмна материя, са станали милион пъти по-чувствителни и все още не са се появили признаци на тези неуловими частици. И въпреки че Големият адронен колайдер по всички технически стандарти се е представил прекрасно, с изключение на бозона на Хигс, не са открити нови частици или други явления.

При Фермилаб криогенното търсене на тъмна материя използва кули от дискове, направени от силиций и германий, за да търсят взаимодействия на частици от тъмна материя. Изображение чрез Reidar Hahn / Fermilab.

Упоритата неуловимост на тъмната материя остави много учени и учудени, и объркани. Имахме това, което изглеждаше като много добри причини да очакваме частици от тъмна материя да бъдат открити досега. И все пак ловът продължава и мистерията се задълбочава.

В много отношения сега имаме само по-отворени въпроси, отколкото преди десетина-две години. И на моменти може да изглежда, че колкото по-точно измерваме нашата вселена, толкова по-малко я разбираме. През втората половина на 20 век физиците на теоретичните частици често са били много успешни при прогнозирането на видовете частици, които ще бъдат открити като ускорители стават все по-мощни. Това беше наистина впечатляващо бягане.

Но нашето предсказание изглежда е приключило дълго предвидените частици, свързани с любимите ни и най-добре мотивирани теории, упорито отказват да се появят. Може би откритията на такива частици са точно зад ъгъла и доверието ни скоро ще бъде възстановено. Но в момента изглежда, че има малка подкрепа за подобен оптимизъм.

В отговор труповете физици се връщат към дъските си, преразглеждайки и преразглеждайки предположенията си. С натъртени егота и малко повече смирение ние отчаяно се опитваме да намерим нов начин да осмислим нашия свят.

Дан Хупър, доцент по теоретична астрофизика в Националната ускорителна лаборатория на Ферми и доцент по астрономия и астрофизика, Чикагския университет

Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation. Прочетете оригиналната статия.