„Galite paaiškinti, kas yra tamsioji materija?“ „Ne“

Kitas kandidatas, akivaizdu, neutrinai. Šviesos dalelės – fotonai, perduoda elektromagnetinę sąveiką. Tuo tarpu neutrinai atsiranda iš silpnosios branduolinės sąveikos ir nėra šviesos dalelės. Be to, jų masė itin maža. Daugiau nei pusę amžiaus fizikai galvojo, kad neutrinai, kaip ir fotonai, iš viso yra bemasiai. Šis suklydimas ir pastūmėjo galvoti, kad neutrinai yra tamsiosios materijos dalis.

Nuo 1998 metų ši nuomonė darėsi vis mažiau populiari. Japonijos neutrinų observatorijoje Super Kamiokande atlikti eksperimentai parodė, kad trys neutrinų aromatai (apie juos jau kalbėjome 6 skyriuje) virsta vieni kitais osciliacijų metu [konkrečios rūšies neutrino virtimas kitos rūšies neutrinu arba antineutrinu. — Knygos redaktoriaus pastaba].

Šio osciliacijos panašios į garsus, kuriuos skleidžia šiek tiek išderintas pianinas. Lygiai kaip akustinių mušimų dažnis yra atskirų garsų dažnių skirtumas, taip ir neutrinų osciliacijos dažnis priklauso nuo skirtingų aromatų neutrinų masių skirtumo. Jeigu masės lygios nuliui, svyravimai neatsiranda.

Kadangi neutrinų osciliacijos nėra pramanas, galime tiksliai sakyti, kad neutrinai tam tikrą masę turi. Deja, neutrinai — gan baugščios dalelės, ir jų masės skaičiavimas lieka fizikų-eksperimentatorių galvasopiu. Osciliacijos eksperimentai rodo, kad neutrinų masių pasiskirstymas mažas, o tai reiškia, kad ir pati masė turi būti nykštukinė.

Tuo pat metu eksperimentai, kuriais siekiama masę išmatuoti tiesiogiai, liudija, kad neutrinų masė turi būti bent pusę milijono karto mažesnė už mažiausios žinomos dalelės, elektrono, masę. Tad, maksimali neutrino masė turi būti bent milijardą kartų mažesnė už protono ir neutrono masę. Gi remiantis Planck kosmine observatorija atliktais CMB svyravimų matavimais, neutrinų masė turi būti dar mažesnė.

Šiaip ar taip, visi matavimai sutartinai rodo, kad neutrinų masė, netgi pagal optimistiškiausią scenarijų, turi būti neįsivaizduojamai maža. O dabar prisiminkime, kad kiekvienam barionui tenka maždaug milijardas fotonų. O kadangi neutrinų yra maždaug tiek pat (panašu, kad truputėlį mažiau) kartų daugiau, nei barionų, galime sakyti, kad bendra neutrinų masė turi būti kažkokia dalis barionų masės, o tikslus dalies dydis priklauso nuo tikslios neutrinų masės. Dabar, trečiajame XXI amžiaus dešimtmetyje, ganėtinai nelengva būti kuo nors užtikrintu, ir visgi labai abejotina ar neutrinai gali sudaryti reikšmingą dalį tamsiosios materijos.

Tačiau fizikoje visada būna koks nors „tačiau“. Šiuo atveju tai yra ketvirtos neutrinų rūšies, nemutuojančios į kitas tris ir didesnės masės, egzistavimo galimybė. Tokius neutrinus įprasta vadinti steriliais. Tačiau kadangi sterilių neutrinų egzistavimas dar neįrodytas, paleiskime juos su taika.

Kelis dešimtmečius pagrindiniu kandidatu į tamsiosios materijos vaidmenį buvo ne halo-objektai, o silpnai sąveikaujančios masyvios dalelės (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP). Kaip ir neutrinai, jos nesąveikauja elektromagnetiškai. Kitaip tariant, neskleidžia ir nesugeria šviesos, tad turi galimybių būti tamsiąja materija. Spėjama, jų masė didelė, nuo dešimčių iki tūkstančių kartų didesnė nei protonų ar neutronų, dėl ko gali sąveikauti su įprasta materija gravitaciškai ar tiesiogiai susidurdamos.

Vienintelė problema, neleidžianti WIMP pavadinti tamsiąja materija, yra tai, kad jų egzistavimas kol kas hipotetiškas. Silpnai sąveikaujančių masyvių dalelių paieškos trunka jau daugiau, nei dvidešimt metų. WIMP detektoriai dažniausiai yra kriogeninėje kameroje esančio baliono su argonu ar ksenonu. Manoma, kad su ksenono atomu susidūrusi WIMP turėtų sukelti šviesos žybsnį, kurį užfiksuotų balione esantys jutikliai.

Toks būdas turi du sunkumus.

Visų pirma, WIMP nėra vienintelė su jutikliu galinti susidurti dalelė — lygiai taip pat sėkmingai žybsnį sukeltų kosminis spinduliavimas ar kokio nors radioaktyvaus elemento skilimo dalelė. Siekiant išvengti „klaidingų suveikimų“, WIMP jutikliai visuomet statomi giliai po žeme (dažniausiai, senose kasyklose), taip atsitveriant nuo nepageidaujamo fono. Antrasis sunkumas: iš tiesų niekas nežino, būtent ko konkrečiai šie detektoriai ieško, dėl to sunku suprasti, kaip teisingai organizuoti eksperimentą.

Daugelis aksionus laiko paskutine tamsiosios materijos egzistavimo viltimi. Aksioną aštuntajame dešimtmetyje atrado elementariųjų dalelių tyrimais užsiimantys fizikai, o pavadintas buvo skalbimo miltelių garbei. Jo egzistavimas turėjo paaiškinti nevienareikšmius stipriosios branduolinės sąveikos aspektus — o svarbiausia, atsakyti į klausimą, kodėl neutronas tolygiai neutralus, nors sudėtinės jo dalys, kvarkai, krūvį turi.

Manoma, kad aksionas — ekstremaliai lengva dalelė, kurios masė mažesnė netgi už neutrino, nors pagal kai kuriuos ankstyvosios Visatos vystymosi scenarijus, tuo periodu susidariusių aksionų turėjo visiškai pakakti sudaryti būtiną tamsiosios materijos kiekį. Šie scenarijai kol kas itin spekuliatyvūs, ir kadangi viskas, ką galėčiau apie juos paskelbti, labai tikėtina, gali pasirodyti netiesa, tiesiog palikime juos ramybėje.

* * *

Kai tiek nesėkmių ir nepatvirtintų spėlionių, būtų keista nesvajoti apie kokią nors alternatyvią teoriją, iš viso atmetančią tamsiosios materijos egzistavimo būtinybę. Nebvejokite: ne mažiau nei tuzinas kosmologų iš viso atmeta tamsiosios materijos idėją, tvirtindami, kad reikia pakeisti Niutono visuotinės traukos dėsnį.Galaktikų pakraščiuose gravitacija atrodo pernelyg silpna, kad išlaikytų žvaigždes orbitose. Kol kas niekas netikrino, kaip tokoiu atstumu veikia Niutono traukos dėsniai, tad, kodėl gi netarus, kad jis ten galingesnis? Tokia hipotezė žinoma kaip modifikuota niutoniška dinamika (MOND, Modified Newtonian Dynamics).

Jeigu norime perrašyti Niutono gravitacijos dėsnį, kad jis atitiktų žvaigždžių elgesį galaktikų pakraščiuose, tai mums teks į teoriją įvesti kažkokį atstumą, už kurio gravitacija tampa stipresnė, nei manė Niutonas. Tai prilygtų pridėjimui į lygtis naujos konstantos — nuolatinio dydžio, tokios, kaip šviesos greitis ar elektrono masė, o su tokioms naujovėms fizikai taikosi itin nenoriai. Be to, kadangi Niutono dėsnis yra nuolatinis bendrosios reliatyvumo teorijos ribotuvas, bet kokia MOND teorija pareikalaus ir reliatyvumo teorijos modifikavimo.

Tokius pokyčius jau bandyta atlikti, tačiau kol kas visi jie blogai dera su stebėjimais. Bendrai reikia pripažinti, kad dauguma kosmologų į MAND žiūri dar skeptiškiau, nei į tamsiąją materiją.

* * *

Galbūt manote, kad šis skyrius pašvęstas veikiau dalelėms, o ne kosmologijai. Tačiau tai ir esmė! Moksliškai įrodyta, kad Visatoje vyksta nuostabūs reiškiniai, o tai reiškia, dabar nebegalime kalbėti apie kosmologiją, užmerkę akis į elementariųjų dalelių fiziką. Bendroji reliatyvumo teorija, branduolinė fizika, elementariųjų dalelių fizika ir kitos svarbios disciplinos susipynė tam, kad sukurtų mums žinomos Visatos vaizdą, ir dabar mes nebegalime ignoruoti jo sudedamųjų dalių sudėtingų ryšių.

Reikia suprasti, kad bet kokia naujovė fizikos pasaulyje ginčys 400 metų eksperimentų ir stebėjimų, o gamta neišvengiamai pasirodys protingesnė už mus.

republic.ru

Tony Rothman — fizikas-teoretikas, kosmologas, rašytojas ir mokslo žurnalistas (Scientific American, Discover, American Scientist, etc.), dėsto Harvardo ir Princetone'o universitetuose.
'A Little Book about the Big Bang', by Tony Rothman (Harvard University Press, 2022)
Маленькая книга о Большом взрыве