Содержание
Вселенная на ощупь: зачем запущен крупнейший детектор темной материи
Природа темной материи — одна из самых волнующих научных загадок. По некоторым подсчетам, на нее приходится более 80% всего вещества во Вселенной, но мы до сих не знаем, что же она представляет собой и существует ли вообще. Недавно ученые запустили новый и самый чувствительный детектор, призванный уловить частицы этой загадочной субстанции
Международная команда ученых успешно протестировала LUX-ZEPLIN — крупнейший в мире детектор частиц, из которых, согласно популярной гипотезе, состоит темная материя. Эти гипотетические частицы называются вимпами, от английской аббревиатуры WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), то есть «слабовзаимодействующие массивные частицы».
Закончили чтение тут
Инструмент должен фиксировать столкновения вимпов с атомами жидкого ксенона.
Работа предыдущих детекторов такого типа была безрезультатной, но, возможно, лишь потому, что они были недостаточно велики. Столкновения вимпов с атомами должны быть очень редкими, поэтому масса ксенона имеет значение. Она поэтапно увеличивалась от детектора ZEPLIN с его 12 кг ксенона (закончил работу в 2012 году) до детектора XENON1T (2018 год и 3,5 т ксенона). Мишень LUX-ZEPLIN содержит рекордные 7 т жидкого ксенона.
Успех этого проекта стал бы крупнейшим триумфом науки. Однако многие эксперты сомневаются, что темная материя состоит именно из тех частиц, которые ищет LUX-ZEPLIN, а некоторые — и в том, что она вообще существует.
Внешний детектор LZ, используемый для обнаружения радиоактивности, которая может имитировать сигнал темной материи. (Фото Matthew Kapust·Sanford Underground Research Facility)
Взвешивание галактик
Что такое темное материя? У астрономов есть два способа измерить массу галактики — по излучению и по гравитации.
Звезды испускают свет, а межзвездный газ — радиоволны. По интенсивности этого излучения можно судить об общей массе вещества. С другой стороны, массу галактики можно вычислить по ее гравитационному притяжению. Величина этого тяготения определяется по движению звезд в галактиках, галактик в скоплениях, искривлению лучей света и другим эффектам.
Проблема в том, что гравитационный дебет упорно не сходится с излучательным кредитом. Вещества, видимого в телескопы (оптические или какие угодно), слишком мало, чтобы обеспечить нужную гравитацию. Эта проблема была широко осознана еще в 1970-х годах, но не решена до сих пор.
Есть два возможных решения. Первый вариант — переписать закон тяготения так, чтобы вся гравитация порождалась видимой материей. Второй путь — заключить, что в галактиках присутствует скрытая масса, она же темная материя. Это вещество, которого мы не видим, но знаем о нем благодаря его тяготению.
Оба подхода имеют сторонников среди физиков и астрономов, но большинство все-таки склоняется к существованию темной материи.
Материал по теме
Переписывая классиков
Записать новый закон всемирного тяготения и встать в один ряд с Ньютоном и Эйнштейном, конечно, соблазнительно. Такие модели называются модифицированной ньютоновой динамикой (modified Newtonian dynamics, или MOND). Но у всех теорий MOND, а их предложено уже предостаточно, есть серьезные проблемы.
Во-первых, большинство MOND объясняет только орбиты звезд в галактиках, но не другие проявления гравитации темной материи (движение галактик в скоплениях, искривление лучей света и т.д.).
Во-вторых, и с движением звезд не все гладко.
Допустим, что гравитирует только видимая материя. Тогда гравитация должна определяться массой этой материи и ее распределением в пространстве. Этот закон может быть не ньютоновским и не эйнштейновским, но он обязан быть однозначным. Однако наблюдения за сотнями галактик показывают, что жесткой связи между этими величинами нет. Даже если принять во внимание все известные погрешности, получается лишь статистическая корреляция, а не однозначный закон.
В-третьих, есть ситуации, когда влиянием темной материи можно пренебречь. Например, когда речь идет о движении не целых галактик, а лишь двух-трех тесно расположенных звезд или черных дыр. В таких условиях эйнштейновская теория гравитации работает безупречно, а вот MOND, как правило, плохо.
Наконец, даже если найдется MOND-теория, удовлетворяющая всем наблюдательным данным, вопросы на этом не закончатся. Физика предъявляет жесткие требования к устройству физических полей — гравитационных или каких угодно.
Это не каприз теоретиков, а результат многовекового опыта изучения природы. Теории MOND им, как правило, не удовлетворяют. Принять такую теорию — значит сломать самые глубокие представления о физических законах.
Материал по теме
Подведем итог. Альтернативные теории гравитации создаются, чтобы «отменить» темную материю. Но и с этой задачей они справляются плохо. Кроме того, худо-бедно заменяя собой темную материю там, где она есть, они начинают «врать» там, где ее пренебрежимо мало. То есть решая (плохо) проблему в одном месте, они создают ее в другом. И, наконец, они не особенно согласуются с выстраданными наукой представлениями о структуре физических законов.
Ничего удивительного, что большинство специалистов относятся к этим идеям скептически. Но не исключено, что теорию гравитации однажды все-таки придется пересмотреть.
Хотя это было бы куда большей революцией в науке, чем открытие темной материи.
Слева: схема детектора LZ. Справа: иллюстрация работы LZ — частицы взаимодействуют в жидком ксеноне, высвобождая вспышку света и заряд, которые собираются решетками фотоумножителей сверху и снизу. (Фото LZ·SLAC)
Вглядываясь в бездну
Итак, большинство экспертов склоняются к существованию в галактиках невидимого вещества. Тогда возникает вопрос, почему мы его не видим ни в каком диапазоне, от гамма-лучей до радиоволн. Тут есть два варианта. Либо у нас недостаточно чувствительные телескопы, либо эта материя принципиально невидима.
Первая идея выглядит проще. Астрономам известны небесные тела, которые почти невозможно заметить. Это, например, черные дыры или коричневые карлики. Более того, несколько раз астрономы открывали новые классы таких объектов.
Так случилось с горячим межгалактическим газом (суммарная масса которого, к слову, намного превосходит массу галактик) и с «неудавшимися галактиками», где не началось образование звезд. И вообще, было бы самонадеянно полагать, что наши инструменты столь хороши, что им доступна вся материя во Вселенной.
Проблема заключается в том, что темной материи слишком много — в несколько раз больше, чем видимой.
Обычная материя состоит из атомных ядер и электронов — либо в виде атомов, либо в виде плазмы. У космологов есть детальные модели процессов, происходивших, когда во Вселенной возникли первые атомные ядра (первые минуты после Большого взрыва) и когда они объединились с электронами в первые атомы (спустя сотни тысяч лет). И эти модели говорят, что сегодня в галактиках просто не может быть столько атомов или ядер, сколько в них темной материи.
Есть трудности и с образованием самих галактик.
По нынешним представлениям, первичное вещество было очень однородным. Но гравитация собирала материю в сгустки, из которых возникли галактики. Причем произошло это очень быстро по космическим меркам. Древнейшие галактики возникли уже в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва. Такую скорость трудно объяснить. Но ученых выручает одна гипотеза.
Материал по теме
Они предполагают, что темная материя имеет особые свойства. Ее частицы, в отличие от атомов или их ядер, не способны сталкиваться друг с другом. Поэтому темная материя создает гравитацию, сжимающую протогалактику, но не давление, противостоящее этому сжатию. А поскольку на темную материю приходится большая часть массы, комок сжимается достаточно быстро. Но эта спасительная идея несовместима с мыслью, что темная материя — это обычное вещество: у него должно быть давление.
Поэтому многие специалисты полагают, что обычное (или, как ее еще называют, барионное) вещество составляет лишь небольшую часть темной материи.
А все остальное состоит из совсем других частиц.
Однако полной уверенности в этом нет. И теории образования вещества, и модели формирования галактик нельзя назвать абсолютно надежными. В них есть шероховатости, за которыми, быть может, скрываются глубокие неувязки. А самое важное, эти теории опираются на наблюдательные данные. Любые наблюдения подвержены погрешностям и искажениям. В астрономии их избежать особенно трудно. Мы ведь не можем подлететь к нужной галактике поближе или, скажем, снять ее с другого ракурса. Наблюдатели прилагают все усилия, чтобы выдать «чистый» результат, но всегда нужно считаться с возможностью, что они чего-то недоучли. Поэтому не исключено, что никаких особых частиц темной материи в природе не существует.
Центральный детектор LZ в стерильной комнате подземного исследовательского центра Сэнфорда после сборки, прежде чем начать свое путешествие под землей. (Фото Matthew Kapust·Sanford Underground Research Facility)
Призрачные частицы
Но что, если большая часть темной материи действительно состоит из особых частиц? Эти частицы стабильно существуют миллиарды лет.
Они невидимы, потому что не взаимодействуют со светом или любым другим излучением. Они не сталкиваются друг с другом (этого требует теория образования галактик). Масса такой частицы ненулевая, а значит, она обладает гравитацией. Но если не считать гравитации, они почти или совсем не взаимодействуют с атомами обычного вещества, иначе мы бы это давно заметили. А раз не взаимодействуют, то могут ежесекундно в каком угодно количестве пронизывать все окружающие предметы и нас самих.
В экспериментах наблюдался только один вид частиц, подходящий под это описание. Это нейтрино. Но масса нейтрино слишком мала, поэтому они не годятся на роль темной материи. Остаются лишь гипотетические частицы, никогда еще не наблюдавшиеся.
Теоретики придумали изрядное количество таких частиц. Вимпы кажутся наиболее перспективными кандидатами, но есть и множество других. Однако никто не знает, существуют ли в действительности хоть какие-то из них.
Материал по теме
Поиск наугад
Годы безуспешных поисков на все более мощных и дорогих установках — не новость для физики. Так обстояло дело и с бозоном Хиггса, и с гравитационными волнами. Усилия увенчались успехом, как только ученые получили инструменты нужного уровня: Большой адронный коллайдер в одном случае и детектор LIGO — в другом. Так что безуспешность поиска вимпов на предыдущих детекторах еще ни о чем не говорит.
Но есть нюанс. Существование бозона Хиггса и гравитационных волн следовало из хорошо проверенных теорий (теории электрослабого взаимодействия и общей теории относительности соответственно). Эти теории сделали множество предсказаний, подтвердившихся в менее сложных экспериментах. Поэтому не было особых оснований сомневаться и в этих прогнозах.
С вимпами, равно как и другими гипотетическими частицами темной материи, ситуация иная. Предсказывающие их теории заманчивы, но у них нет солидного экспериментального багажа. Значит, они вполне могут оказаться неверными. Отбрасывание ошибочных теорий — такая же часть научного поиска, как и подтверждение успешных.
Вполне возможно, что никаких вимпов не существует. Как и аксионов, которые ищет другой детектор, ADMX. Темная материя может состоять из частиц, предсказанных не столь популярными теориями. Или вообще не предусмотренных никакими теориями. А может быть, и нет никаких особых частиц, а есть обычное тусклое вещество и недостатки космологических моделей. Наконец, не исключено, что правы сторонники MOND и темной материи вообще нет ни в каком виде.
В этом смысле проект LUX-ZEPLIN очень рискованный.
С другой стороны, потраченные на него $55 млн — не столь уж большая сумма по сравнению со стоимостью какого-нибудь межпланетного зонда. К разгадке одной из величайших тайн Вселенной приходится продвигаться буквально на ощупь, и тут едва ли можно обойтись без рискованных затрат.
Откуда не ждали: тёмная материя наконец открыта?
21 сентября 2020
17:53
Анатолий Глянцев
Внутриатомные процессы могут стать ключом к загадке тёмной материи.
Иллюстрация Pixabay
Возможно, нейтрон в ядре испускает тёмные бозоны, которые воздействуют на электроны.
Иллюстрация J. Hur/Massachusetts Institute of Technology.
Учёные обнаружили, что атомы иттербия ведут себя неожиданным образом. Это может оказаться долгожданным открытием тёмной материи и выходом на просторы новой физики. Впрочем, возможны и более прозаические объяснения.
Учёные обнаружили, что атомы иттербия ведут себя неожиданным образом. Это может оказаться долгожданным открытием тёмной материи и выходом на просторы новой физики. Впрочем, есть и более прозаические версии объяснения.
Открытие описано в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Напомним, что Стандартная модель физики элементарных частиц прекрасно объясняет результаты всех проведённых физических экспериментов. Но исследователи давно мечтают открыть эффект, который не укладывался бы в эту увенчанную лаврами теорию и потребовал бы создания новой физики.
Интересно, что такой эффект, похоже, давным-давно открыли астрономы. Речь идёт о тёмной материи – неизвестном веществе, которое проявляет себя только благодаря гравитации. Большинство экспертов склоняется к мысли, что тёмная материя по большей части состоит из ещё не открытых физиками-экспериментаторами частиц, не предусмотренных Стандартной моделью.
Эти частицы, говорят исследователи, крайне редко или крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом. Именно поэтому огромные детекторы, специально созданные для их «поимки», пока не осчастливили человечество долгожданным открытием.
Вместе с тем некоторые эксперты полагают, что не входящие в Стандартную модель частицы можно обнаружить, если внимательнее присмотреться к давно известным процессам. Например, к тому, как атом излучает фотоны.
Когда электрон в атоме переходит с одного энергетического уровня на другой, более низкий, он испускает фотон. При этом энергия этого фотона равна разнице между начальным и конечным энергетическими уровнями.
Для лучшего понимания сравним электрон в атоме с канарейкой в клетке, которая спрыгивает с верхней жёрдочки на более низкую, издавая при этом краткую трель. Высота звука этой песни будет зависеть от расстояния между жёрдочками.
Но у разных изотопов одного и того же химического элемента энергии уровней несколько разнятся. То есть в синей железной клетке и в красной железной клетке расстояние между жёрдочками будет немного отличаться.
Это давно изученный эффект, и Стандартная модель даёт по его поводу совершенно конкретный прогноз. Состоит он в том, что график, который называется диаграммой Кинга, должен быть практически идеальной прямой линией. (Вести.Ru весьма подробно рассказывали – как говорится, по полочкам разложили – что это за график, что и с чем он связывает.) Отклонения от прямой, если они и есть, должны быть чрезвычайно малыми. Неудивительно, что их никто ещё не обнаруживал.
Теперь физики из Австралии, США и Южной Кореи построили диаграмму Кинга для ионов пяти изотопов иттербия… и обнаружили отклонения от прямой.
Правда, статистическая значимость этого результата не очень высока по меркам физиков: три сигмы. Это значит, что с вероятностью 0,3% открытие может оказаться ложной тревогой, случайным наложением шумов. Это небольшой шанс, но, когда речь идёт о переписывании фундаментальных законов, учёные становятся очень придирчивыми. Стандартом для признания открытия является отметка в пять сигм, когда вероятность ложноположительного результата меньше 0,0001%.
Возможно, нейтрон в ядре испускает тёмные бозоны, которые воздействуют на электроны.
Иллюстрация J. Hur/Massachusetts Institute of Technology.
Допустим, что это отклонение от прогнозов всё-таки не ошибка эксперимента, Тогда как его объяснить?
Возможно, это открытие нового эффекта, который всё же укладывается в рамки Стандартной модели, являясь тем самым малым отклонением, о возможности которого теоретики предупреждали экспериментаторов. Но есть и более заманчивые варианты.
Например, эффект может объясняться рождением в ядре атома тёмного бозона.
То есть гипотетической частицы тёмной материи, которая не входит в Стандартную модель. Как предполагают учёные, этот тёмный бозон может воздействовать на электрон в атоме, изменив его энергию.
Если эта интерпретация верна, то перед нами двойное эпохальное открытие: обнаружение частицы, не предсказанной Стандартной моделью, и объяснение природы тёмной материи.
Но пока об этом говорить рано. Прежде всего потому, что результат всё ещё может оказаться случайной ошибкой.
Кстати, другая команда физиков, также опубликовавшая свои выводы в Physical Review Letters, строила диаграмму Кинга для ионов пяти изотопов кальция. И никакого отклонения графика от прямой линии не нашла.
К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о других дразнящих намёках на открытие Новой физики. Их приносят детекторы тёмной материи, ускорители и детекторы частиц, прошивающих Землю насквозь.
наука
физика
темная материя
элементарная частица
новая физика
новости
О ПРОГРАММЕ — Dark Matter
Джефф Лордс (басист) был одним из основателей прог-металлической группы Crimson Glory, и, несмотря на то, что группа много раз сталкивалась с трудностями, некоторые из которых вынуждали группу делать перерывы, он оставался долгое время, пока не пришло время писать материал для нового альбома с новым вокалистом Тоддом ЛаТорре.
К сожалению, возникли новые трудности, и вскоре после этого Тодда попросили присоединиться к другой национальной группе, после чего группа взяла еще один перерыв. Но вместо того, чтобы вкладывать больше крови, пота и слез в то, что в основном было основано на ностальгии, он сделал шаг назад. Он смотрел и учился. Он изучал все, от звукорежиссуры до понимания музыки, и этот процесс внес свой вклад в то, что сегодня стало Темной Материей.
Лордс, Дж. Дж. Госман и рифф Шамбера поверх битов, из-за которых может быть незаметно, что вы слушаете тактовый размер 9/8 или 5/4. На самом деле, очень рано стало ясно, что ритм-гитарист не только не нужен, но и без него группа звучала бы лучше. Именно по этой причине группа рассталась с ритм-гитаристом Крисом Бэйлором всего через несколько месяцев после начала написания.
Как и во Вселенной, здесь есть и порядок, и хаос. Г. Дж. Госман и лорды наводят порядок; Гитарные партии Терри Шамбера создают хаос. Гитарист, хамелеон и металлист прошлых дней, риффы и соло Шамбера просто атомарны.
Что может быть более металлическим, чем гневный огнедышащий демагогический рык Пола Бича? Очень мало. Но в отличие от многих современных брутальных певцов, Пол может смешивать это, переключаясь между чистой агрессией и успокаивающим эстрадным вокалом. Оставайтесь с нами, Dark Matter, безусловно, спящий гигант
Dark Matter началась, как это часто бывает со многими новыми группами; у одного парня есть идея собрать игроков-единомышленников в попытке изменить текущую тенденцию. Как часто говорил прог-металлический басист Джефф Лордс, «деревья, которые не гнутся под ветром, сломаются». В конце концов, все могут согласиться с тем, что музыкальная индустрия изменилась, и изменилась кардинально. Бывший барабанщик Джесси Рохас прекрасно знал об этом, и именно поэтому его страсть привлекла четырех местных музыкантов для полностью оригинального проекта. Но не только парней, которые могли валять дурака, а также парней, с которыми он вырос и которые имели подтвержденный послужной список с их особыми навыками.
Искомыми новобранцами были бас-тенор-вокалист Пол Бич; Терри Шамберс на соло-гитаре; Крис Бэйлор на ритм-гитаре и Джефф Лордс на басу. Несмотря на это, у всех участников группы была совершенно разная жизнь, которая привела их к этому моменту, общность хэви-метала, географии и единомышленников просто имела смысл.
«Нашим желанием стало совмещать совершенно разные стили металла. Сохраняя элементы прогрессива, но обращая внимание на темы, которые эмоционально тяжелы и уходят намного глубже, чем то, что написано чисто абстрактно. Абстракция — это круто, но писать песни то, что люди могут понять, более сложное, что делает его более удовлетворительным, когда людям это нравится. В музыкальном плане вы можете услышать наше прошлое, настоящее и будущее в заглавном треке Encipher … мы чувствуем, что мы только начали «. ~ Дж. Лордс
Изначально первая партия песен была своего рода экспериментом. Лорды придумали необычную концепцию, заключавшуюся в том, чтобы спеть песню с точки зрения оскорбленной собаки.
Так появилась песня и первое видео «Color of Pain», песня о кровавом спорте — собачьих боях. Будучи своего рода гимном, эта песня дает голос существу, которое не может говорить само за себя. Вы можете услышать, как Пол Бич становится собакой, над которой жестоко обращаются, и к третьему куплету вы знаете, что собака собирается отомстить. «Вы называете этого человека лучшим другом?» — повторяющийся вопрос в припеве песни.
Темная материя • Fireproof Studios
Разработанный с нуля с учетом уникальных возможностей виртуальной реальности, игроки могут обитать в захватывающем дух мире Комната и взаимодействовать с его странными приспособлениями в этой захватывающей новой главе. Действие игры начинается глубоко в Британском институте археологии, где исчезновение уважаемого египтолога побуждает полицию расследовать неизвестное. Исследуйте загадочные локации, изучайте фантастические гаджеты и открывайте потусторонний элемент, который стирает грань между реальностью и иллюзией.
Мы признательны за выпуск следующей игры в . Серия Room исключительно для виртуальной реальности может разочаровать некоторых поклонников наших мобильных игр, однако после 8 лет и четырех игр на мобильных устройствах мы почувствовали, что это было время сделать шаг назад и попробовать что-то новое. Поэтому на раннем этапе разработки мы решили изучить, как новые технологии могут добавить к нашему уникальному игровому опыту и еще больше погрузить наших игроков в таинственный мир The Room 9.0022 . Мы всегда были большими поклонниками VR, и возможность перенести The Room в виртуальную реальность казалась отличным способом сделать это. Это не означает, что мы никогда не будем делать еще одну мобильную игру — мы не планировали что-то большее, чем текущая игра, поэтому, если у нас есть отличная идея для игры, действие которой происходит во вселенной The Room , которая больше подходит для мобильных устройств, тогда это определенно то, что мы рассмотрели бы!
Где я могу его купить и сколько это будет стоить? — The Room VR: A Dark Matter можно будет приобрести в магазинах Oculus, Steam и PlayStation Store за 29,99 долларов США/29,99 евро.
Какие устройства совместимы? – The Room VR будет совместим с гарнитурами PlayStation VR, Oculus Meta Quest, Oculus Rift, Oculus Rift S, Valve Index, Vive Cosmos, HTC Vive и Windows Mixed Reality.
Какие устройства несовместимы? — The Room VR: A Dark Matter несовместима с Oculus Go, Gear VR, Samsung VR, Google Cardboard, Nintendo Labo или любой другой мобильной платформой VR. Это просто потому, что эти платформы недостаточно мощны для запуска игры.
Можно ли играть в игру на мобильных устройствах? — Нет. The Room VR: A Dark Matter — это эксклюзивная игра для виртуальной реальности, в которую можно играть только с помощью гарнитуры виртуальной реальности.
Вы отказываетесь от мобильных устройств? – После 8 лет и четырех игр серии The Room для мобильных устройств мы почувствовали, что пришло время сделать шаг назад и попробовать что-то новое.
Мы всегда были большими поклонниками виртуальной реальности, и возможность перенести The Room в виртуальную реальность казалась отличным способом сделать это. Это не означает, что мы никогда не будем делать еще одну мобильную игру Room — мы не планировали ничего, кроме текущей игры, и если у нас есть отличная идея для игры Room, более подходящей для мобильных устройств, то мы определенно ее рассмотрим. !
Почему виртуальная реальность? — Мы всегда считали, что серия Room невероятно хорошо подходит для виртуальной реальности, но никогда не казалось, что пришло время сделать этот шаг. Выпуск более мощных и доступных гарнитур, наконец, позволил нам реализовать этот интерес как жизнеспособный вариант.
Что такое виртуальная реальность? – VR означает виртуальную реальность. Чтобы играть в VR-игры, вам понадобится гарнитура VR + соответствующий контроллер(-ы). Гарнитура содержит экраны, которые позволяют вам видеть игровой процесс — любые движения головы или рук, выполняемые при ношении гарнитуры, будут соотноситься с тем, что вы видите в гарнитуре.