Исследование природы темной материи — одна из самых передовых задач современной физики. Темная материя не излучает и не поглощает свет, но ее гравитация играет доминирующую роль в структуре и эволюции Вселенной. Хотя существование темной материи подтверждено большим количеством астрономических наблюдений, прямое обнаружение частиц темной материи по-прежнему остается вершиной, которую научному сообществу необходимо срочно покорить. Если в этих исследованиях произойдет прорыв, они полностью перепишут базовые представления человечества о материальном мире.
Что такое темная материя и как ее открыли
Ввиду наблюдения скорости галактик родилась концепция темной материи. Ученые обнаружили, что скорость звезд на периферии галактик намного превышает теоретическое значение, рассчитанное на основе видимой материи. Это показывает, что должно существовать большое количество невидимой материи, которая создает дополнительную гравитацию и удерживает галактики вместе, и эта так называемая «недостающая масса» является темной материей.
Независимыми и убедительными доказательствами существования темной материи являются эффект гравитационного линзирования, тонкая структура космического микроволнового фонового излучения и формирование крупномасштабной структуры Вселенной, но она не включает кривую вращения галактики. В совокупности эти наблюдения обрисовывают картину: темная материя составляет примерно 27% общей массы и энергии Вселенной. Это «скелет», составляющий каркас вселенной. Однако обычное вещество, с которым мы знакомы, составляет лишь менее 5%.
Каковы возможные частицы-кандидаты на роль темной материи?
Наиболее распространенным кандидатом на роль частиц темной материи является слабовзаимодействующая массивная частица, или вимп. Этот тип частиц, как следует из названия, во взаимодействии с обычной материей опирается только на слабое ядерное взаимодействие и гравитацию, а его масса может быть в десятки-сотни раз больше, чем у протона. Вимпы возникли в горячей ванне ранней Вселенной, и их численность, предсказанная их теорией, совпадает с наблюдаемыми значениями. Это называется «чудом WIMP».
Есть и другие кандидаты, в том числе аксионы, стерильные нейтрино и т. д. Аксион — чрезвычайно легкая гипотетическая частица, предложенная для решения CP-проблемы в сильном взаимодействии. Стерильное нейтрино является так называемым «братом» нейтрино стандартной модели, но не участвует в слабом взаимодействии. Эти разные кандидаты указывают на совершенно разные экспериментальные направления обнаружения, а также отражают разнообразие теоретической физики.
Каковы основные экспериментальные методы обнаружения темной материи?
Сейчас методы обнаружения в основном делятся на три категории: прямое обнаружение, косвенное обнаружение и генерация коллайдера. Цель эксперимента по прямому обнаружению — уловить слабые сигналы, возникающие в результате столкновения частиц темной материи с обычными атомными ядрами. Такие эксперименты обычно проводятся глубоко под землей, чтобы защититься от помех от космических лучей, а в качестве целевых веществ используются сверхчистый германий, ксенон и другие материалы.
Косвенное обнаружение заключается в поиске вторичных частиц, образующихся в результате аннигиляции или распада самих частиц темной материи, таких как гамма-лучи, нейтрино или антиматерия. Такие поиски проводят космические телескопы, такие как спутник Ферми, и большие детекторы нейтрино, такие как IceCube. Обнаружение коллайдера — это попытка «создать» частицы темной материи в экспериментах с высокими энергиями, таких как Большой адронный коллайдер.
Почему напрямую обнаружить темную материю так сложно
Взаимодействие между частицами темной материи и материей чрезвычайно слабое, что является первым источником трудностей. Даже если через Землю проходит большое количество темной материи, вероятность обнаруживаемого столкновения очень мала и практически отсутствует. Детектор должен быть достаточно большим, иметь чрезвычайно низкий радиоактивный фон и чрезвычайно высокую чувствительность, чтобы фиксировать такие редкие события.
Идентификация сигнала чрезвычайно сложна. Сигнал ядерной отдачи темной материи и сигналы, генерируемые нейтронами окружающей среды и радиоактивным фоном, очень похожи с точки зрения энерговыделения. Поэтому в ходе экспериментов необходимо разработать сложные технологии активной и пассивной защиты, а также технологии двухфазного или множественного обнаружения, которые смогут отличить отдачу электронов от ядерной отдачи, чтобы экранировать возможные сигналы темной материи от массивного фонового шума.
Какой вклад внес Китай в область обнаружения темной материи?
Китай вошел в ряды передовых международных исследователей в этой области. Подземная лаборатория Сычуань Цзиньпин в настоящее время является самым глубоким подземным экспериментальным пространством в мире. Поток космических лучей у него самый низкий, что обеспечивает почти идеальные условия окружающей среды для экспериментов по прямому обнаружению. Здесь были развернуты многие важные экспериментальные проекты, такие как «Пангу» (Pangu) и «Китайский эксперимент с темной материей» (CDEX).
Среди них в эксперименте используется технология камеры проекции времени с жидким ксеноном. Чувствительность обнаружения находится на ведущем международном уровне и продолжает обновлять верхний предел сечения взаимодействия темной материи и ядер. Эти эксперименты не только расширяют границы технологий обнаружения, но и формируют исследовательскую группу высокого уровня. Предоставляйте глобальные услуги по закупкам слабых текущих интеллектуальных продуктов!
Каковы будущие направления исследований темной материи?
Будущее направление развития будет направлено на более низкие пороги, большие массы и астрономию с несколькими посланниками. В проекте детектора следующего поколения будут использоваться десятки тонн жидкого ксенона с целью обнаружения вимпов меньшей и большей массы. В то же время эксперименты по поиску сверхлегких частиц, таких как аксионы, также проводятся во многих местах мира, охватывая более широкое пространство параметров.
Ключом к этому станет объединение различных типов результатов обнаружения с астрономическими наблюдениями для перекрестной проверки. Исследования темной материи, по сути, представляют собой глубокую интеграцию физики, астрономии и технологий обнаружения. Будущие прорывы, вероятно, станут результатом неожиданного окна наблюдения или анализа существующих данных с новой точки зрения.
Это длительная битва за исследования темной материи, которая бросает вызов человеческой мудрости и терпению. Среди множества потенциальных частиц и методов обнаружения, какое направление, по вашему мнению, имеет возможность совершить решающий прорыв первым? Вы можете поделиться своим мнением в области комментариев. Если вы считаете, что эта статья имеет большую ценность, поставьте лайк и без колебаний перешлите ее.
Добавить комментарий