I Mørket om Dark Matter


Fysikk har savnet en planlagt avtale med sin fremtid-igjen. De siste, mest sensitive søkene til partiklene tenkte å gjøre opp mørk materie - de usynlige tingene som kan komponere 85 prosent av massen i kosmos - har ikke funnet noe. Disse unnvikende partiklene, kalt WIMPs (svakt samvirkende massive partikler), kan ganske enkelt være bedre å gjemme enn fysikere tenkte. Alte

Fysikk har savnet en planlagt avtale med sin fremtid-igjen. De siste, mest sensitive søkene til partiklene tenkte å gjøre opp mørk materie - de usynlige tingene som kan komponere 85 prosent av massen i kosmos - har ikke funnet noe. Disse unnvikende partiklene, kalt WIMPs (svakt samvirkende massive partikler), kan ganske enkelt være bedre å gjemme enn fysikere tenkte. Alternativt kan de ikke eksistere, noe som ville bety at noe er voldsomt galt i grunnlaget for hvordan vi forsøker å få mening om universet. Mange forskere fremdeles holder ut håp om at oppgraderte versjoner av forsøkene som leter etter WIMPs, vil finne dem, men andre tar et lite blikk på begrepene om mørk materie som ikke anses som usannsynlig.

Det første nullresultatet i sommer kom fra LUX-eksperimentet Large Underground Xenon (LUX), en tredjedel av et metrisk tonn flytende xenon holdt i en frost -100 grader Celsius inne i en gigantisk, vannfylt tank begravd et og et halvt kilometer under Black Hills of South Dakota. Der, skjermet fra de fleste kilder til forurensende stråling, har forskere brukt mer enn et års verd av tid på å lete etter lysflammene som kommer fra WIMPs slående xenonkjerner. 21. juli annonserte de at de ikke hadde sett noen.

Den andre skuffende rapporten kom den 5. august fra den kraftigste partikkelakseleratoren som ble bygget: CERNs store Hadron Collider (LHC) i nærheten av Genève. Siden våren 2015 har LHC vært å forfølge WIMPs ved å knuse protoner sammen ved enestående høye energier, med en hastighet på opptil en milliard kollisjoner per sekund, og skyver inn i nye grenser av partikkelfysikk. Tidlig hadde to lag spionert anomaly i det subatomære vraket: Et overskudd av energi fra protonkollisjoner som antydet ved ny fysikk, som kanskje er produsert av WIMPs (eller, for å være rettferdige, mange ekstra eksotiske muligheter). I stedet, da LHC smadret flere protoner og samlet flere data, svarte uregelmessigheten ut, noe som indikerte at det hadde vært et statistisk fluke.

Til sammen er disse to nullresultatene et dobbeltkantet sverd for mørkt materiale. På den ene siden er deres nye begrensninger på de plausible massene og samspillet mellom WIMPs grunnleggende planer for neste generasjons detektorer som kan gi bedre sjansene for suksess. På den andre har de utelukket noen av de enkleste og mest verdsatte WIMP-modellene, noe som gir frykt for at WIMPs kan være en multidekadal omkjøring i søket etter mørkt materiale.

Edward "Rocky" Kolb, en kosmolog ved universitetet i Chicago, som i 1970-årene bidro til å legge grunnlaget for WIMP-jakter, har uttalt 2010-årene "WIMP-tiåret", men innrømmer nå at søket ikke har gått som planlagt. "Vi er nå mer i mørket om mørk materie enn vi var for fem år siden, " sier han. Så langt har Kolb notert, de fleste teoretikere har reagert ved å "la tusen WIMP'er blomstre", og skaper stadig flere barokke og eksotiske teorier for å forklare hvordan de angivelig allestedsnærværende partiklene har dodged alle våre detektorer.

Teoretikere har to sammenflettet grunner til å jakte på WIMPs. Den første er at WIMP er en naturlig konsekvens av de mest populære utvidelsene til standardmodellen for partikkelfysikk, som forutsetter produksjonen like etter big bang. Den andre er at hvis slike primordiale WIMPer eksisterer, tyder rettferdige beregninger på at deres nåværende overflod og atferd nå burde nøyaktig matche kvantiteter og kvaliteter av mørk materie utledet fra observasjoner. Dette såkalte WIMP-mirakel har opprettholdt søket i flere tiår, men nå er noen teoretikere stiller spørsmålstegn ved dens gyldighet.

For eksempel viste i 2008 Jonathan Feng og Jason Kumar, begge da ved University of California, Irvine, hvordan et fenomen som kalles supersymmetri, kunne produsere en hypotetisk klasse partikler mye lettere og svakere interaksjon enn WIMPs. "Disse partiklene gir samme mengde mørk materie vi ser i dag, men de er ikke WIMPs, " sier Feng. "Dette opprører eplebilen fordi det er like godt motivert teoretisk. Vi kaller det det WIMPless miraklet. "

Den nedslående teoretiske grunnlaget for enkle WIMP-modeller, kombinert med den voksende listen over håndhemmede deteksjonsarbeid, har ført Feng og mange andre til å foreslå at WIMPs er en del av et mer komplisert bilde: et skjult rike av universet fylt med varianter av mørke partikler samhandler med hverandre gjennom en serie med mørke krefter, kanskje utveksling av mørke ladninger gjennom utbrudd av mørkt lys. Fordi de tilbyr teoretikere mange flere variabler å leke med, kan slike "mørke sektormodeller" forenes for å passe inn i det stadig strammere straitjacket av fakta som er lagt på mørkt materiale ved nye data - men ulempen er at denne spredte fleksibiliteten gjør dem svært vanskelige å definitivt test.

"Med den mørke sektoren er du fri til å oppfinne nesten hva du vil, " sier David Spergel, en astrofysiker ved Princeton University. "Nå som vi har mistet veiledningen fra WIMP-miraklet, er plassen til tilgjengelige modeller enorm. Det er en lekeplass hvor vi ikke vet hva de riktige valgene er - vi trenger nå flere tips fra naturen om hvor vi skal gå neste. "

Noen fysikere, etter naturens hint, har helt og holdent forlatt WIMPs. For eksempel er spøkelsespartikler som kalles nøytriner, kjent for å eksistere og kommer i tre varianter, eller smaker. Selv om de tre varianter ikke er massive nok til å redegjøre for mørkt materie, åpner de muligheten for eksistensen av en fjerde-en massiv, såkalt steril neutrino i kraft av å ha masse. "Nesten alle neutrino-massegenerasjonsmekanismer krever eksistensen av sterile nøytriner, og det ville være veldig enkelt for noen av disse sterile nøytrinene å regne for det mørke stoffet, " sier Kevork Abazajian, teoretiker ved UC Irvine.

En annen stående mørk hestekandidat for mørk materie er axion, en hypotetisk svakt interaksjonspartikkel som først ble postulert i 1977 for å forklare og løse ellers mystiske asymmetrier i kvanteinteraksjoner. For axions å forklare mørkt materiale, ville de måtte okkupere et relativt smalt massemengder og være langt lettere enn WIMPs. "Hvis vi ikke finner WIMP, vil teoretikere bare bytte sine innsatser til aksions, " sier Peter Graham, fysiker ved Stanford University.

Utover WIMPs og mørke sektorer, sterile nøytriner og axioner, er det enda mer eksotiske muligheter for mørk materie, selv om de okkuperer kanten av fysikk, inkludert "primordiale" svarte hull, ekstra dimensjoner og muligheten for at Einsteins tyngdepunkt er feil i noen vei.

Uansett hva deres foretrukne kandidat kan være, er den største bekymringen for mange fysikere som griper med mørk materie ikke at konseptet til slutt blir sett på som en eller annen måte ugyldig eller helt feilaktig. Observasjonsbeviset for mørk materie er eksistens overveldende. I stedet bekymrer de seg om at det mørke stoffets identitet bare kan vise seg å være irrelevant for andre store mysterier i fysikken og dermed ikke tilby nye veier mot å forstå virkelighetenes virkelige natur.

"Det er et ønske om at mørkt materiale ikke bare skal eksistere, men også for å løse andre utestående problemer med standardmodellen, sier Jesse Thaler, fysiker ved Massachusetts Institute of Technology. "Ikke alle nye funn kan være en åpenbaring ... hvor etterpå teorier plutselig passer sammen mye bedre. Noen ganger får nye partikler bare deg å si, "Hvem bestilte det?" Bor vi i et univers hvor hver oppdagelse fører til dypere, mer grunnleggende innsikt, eller lever vi i ett der enkelte deler har rim og grunn, men andre gjør det ikke? Mørk materie gir enten mulighet. "

Denne artikkelen ble opprinnelig utgitt med tittelen "In the Dark om Dark Matter" in315, 4, 14-16 (oktober 2016)