Keisti pažįstami: Ar tamsioji materija – besislapstanti paprasta materija?

Tai materija, bet ne mums pažįstama. Liepą, netoli Ženevos įsikūręs CERN LHC sulaukė keisto lankytojo. Pavadinta pentakvarku, ši keistoji dalelė yra fundamentaliai naujo bazinių materijos blokų susijungimo atstovė. Nors dabartinės mūsų žinios apie materijos sandarą jų egzistavimo nedraudžia, anksčiau vienareikšmiškai jos užfiksuotos nebuvo.

Tai skamba kaip muzika Glennui Starkmanui. Fizikos teoretikas iš Case Western Reserve universiteto Klivlende, Ohajuje, Starkmanas skelbia drąsią žinią: kad yra netgi dar egzotiškesnių įprastos materijos konfigūracijų, taip ir laukiančių kol bus atrastos. Jis siūlo ieškoti šios neįprastos materijos įvairiausiomis priemonėmis, nuo duomenų iš užkonservuotų gravitacijos bangų detektorių kasinėjimo ir senovinių mineralų paieškų iki seismometrų įrengimo Mėnulyje. Jis netgi teigia, kad įprastos materijos neįprastos formacijos gali išspręsti didžiausią mūsų laikų kosmologinę mįslę – tamsiosios materijos.

Susidūrusių su sunkiausiomis mįslėmis fizikų mėgstama striukas yra naujų, dar nežinomų, dalelių išradimas. Nobelio premijos laimėtojas Wolfgangas Pauli'is buvo vienas iš pirmųjų. 1930 m. jis iškėlė mintį, kad kai kurių eksperimentų trūkstamą energiją nusineša matavimais neužfiksuojamos dalelės. Pačiam Pauli'iui jo išradimas nepatiko. „Padariau siaubingą dalyką,“ sakė jis. „Postulavau dalelę, kurios neina aptikti“. Jis nerimavo be reikalo: dabar žinomi neutrinai buvo atrasti 1956 m.

Nuo tol fizikai įnirtingai išradinėjo daleles ir taip sukūrė Standartinį modelį (SM) – kol kas nuodugniausią dalelių ir jų sąveikų aprašymą. Baigiamasis jo šlovės akordai nuskambėjo 2012 metais, kai buvo atrastas Higgso bozonas, paaiškinantis, kodėl dalelės turi masę.

Bet SM fizikų neužganėdina. Matematinė jo struktūra atrodo kaip durstinys. Ir jame tebežioji skylės, iš kurių ne pati mažiausią – negebėjimas paaiškinti tamsiąją materiją – paslaptingą medžiagą, sudarančią 85 procentus visatos materijos, tačiau nesugeriančios ir nespinduliuojančios šviesos ir tik labai silpnai sąveikaujančios su kita materija.

Susidūrę su tokiu galvosūkiu, fizikai tradiciškai ėmėsi kurti tamsiosios materijos (TM) kandidatus, nuo prakaulių WIMPų iki masyvių WIMPZILLA'ų. Bet nieko nebuvo aptikta. Supersimetrijos – numatančios, kad visos žinomos dalelės turi masyvesnius „superpartnerius“ – kandidatai irgi nepasirodė.

Sugalvotų dalelių panacėja nustojo veikti. Tai skatina Starkmaną daryti provokuojamą išvadą. „Žiū, standartinio modelio nepatvirtinančių eksperimentų nėra,“ sako jis. „Taigi, faktas, kad mūsų požiūriu, jis turi filosofinių ir estetinių problemų, gali būti kažkas tokio, su kuo reikia susitaikyti“. Užuot nuolat kūrę naujas daleles, turėtume atidžiau ištirti jau žinomas, teigia Starkmanas. Gal senos dalelės moka naujų triukų.

Formuodamos mus supančią materiją, elementariosios dalelės sudaro tam tikras standartines konfigūracijas. Pavyzdžiui, kvarkų trijulės suformuoja barionus. Protonai ir neutronai yra atomo branduolį sudarantys barionai iš aukštyn ir žemyn kvarkų – lengviausių dviejų iš šešių žinomų kvarkų – trejetų. Taip pat žinome apie trumpai gyvuojančias kvarkų ir antikvarkų kombinacijas, vadinamuosius mezonus.

Bet kvarkai labai savotiški. Jie niekad neskraido laisvi dėl stipriosios branduolinės sąveikos įdomios savybės.Kai atstumas tarp kvarkų mažas, jėga irgi būna silpna. Bet atstumui didėjant, ji stiprėja ir kvarkai tempiami atgal. Kita keista stipriosios branduolinės sąveikos savybė ta, kad ji silpnesnė, esant didelei energijai, tokiai, kokia sukuriama LHC vykstančiuose susidūrimuose. Fizikai gali paskaičiuoti, kaip sąveikauja tokios energijos kvarkai, bet ne mažesnės, kai kvarkus drauge laikanti jėga stipresnė. Dėl to fizikams vis dar sunku paaiškinti mažesnėse energijose vykstančius procesus – kaip kvarkai formuoja mezonus ir barionus.

Dėl šio neužtikrintumo kilo mintis, kad gal egzistuoja kitos materijos formos. Jau devintajame XX a. dešimtmetyje Edwardas Wittenas, fizikas matematikas iš Princetono universiteto, pasiūlė idėją, kad lengvi kvarkai su sunkesniais savo pusbroliais, tarkime, keistaisiais kvarkai, galėtų jungtis neįprastai

Kitaip, nei įprastinė materija, šios kvarkų kombinacijos, užuot formavusios atomų branduolius, suliptų į didelius amorfinius gurvuolius, mažoje erdvėje surinkdamos vis daugiau dalelių. Wittenas pavadino juos „kvarkų grynuoliais“. UCL fizikos teoretikas Bryanas Lynnas su kitais vėliau išplėtė tai į daugiau pavyzdžių, tarkime „keistąją barioninę materiją“ ir „chiralaus skysčio lašus“.

Tokiose egzotiškose pažįstamų elementariųjų dalelių sankaupose tarp atomų branduolių nebūtų beprotiškai daug erdvės, kaip kad yra įprastoje materijoje. Jos būtų tokio tankio, kaip neutroninės žvaigždės, kurios medžiagos arbatinis šaukštelis svertų kaip kalnas. Tad, nors jos gali būti itin sunkios, jos būtų labai mažos. Kai kurie tyrėjai pavadino juos „makrais" – nuoroda į tai, kad jų masė matuojama kilogramais ir tonomis, o ne nykstamai mažais dalelių matavimuose paprastai naudojamais masės vienetais.

„Egzotiškos pažįstamų dalelių sankaupos gali būti tankios, kaip neutroninės žvaigždės tačiau daug mažesnė ir sunkiau aptinkamos”

O kadangi makrai sudaryti vien iš branduolio masės, be jokių aplink besisukančių elektronų ar laisvos erdvės, termobranduolinės sintezės jie palaikyti negalėtų, tad ir nešviestų. Dėl didelio šių gurvuolių tankio sąveika su atsklindančia šviesa irgi mažai tikėtina. Trumpai tariant, makrai būtų maži, masyvūs ir itin sunkiai aptinkami, jei ne išvis nematomi.

Svorio prievaizdai

Skamba kaip idealus tamsiosios materijos receptas. Bet fizikai šią idėją anksčiau yra atmetę dėl dviejų priežasčių. Pirma, jei makrai yra kompaktiški objektai maždaug tokie sunkūs, kaip mūsų saulė, panašūs į ruduosius nykštukus ar juodąsias bedugnes, tada, kad galėtų būti laikoma tamsiąja materija, jų turėtų būti daugiau, nei regimų žvaigždžių. Jei taip, makrai dažnai išlenktų Žemę pasiekiančią šviesą iš žvaigždžių, dėl gravitacinio lęšiavimo efekto. Bet dabar regimą išlenktą šviesą jau paaiškina pažįstami kosminiai objektai, sudaryti iš įprastinės medžiagos. Antra, jei branduolio medžiaga visatoje būtų pasklidusi plonu sluoksniu, ji sąveikautų su savimi ir kita materija, ir trukdytų formuotis galaktikoms taip, kaip dabar.

Bet pažvelgęs atidžiau, Starkmanas su kolegomis išvydo, kad makrai neturi būti tokie sunkūs, kad sukeltų gravitacinį lęšiavimą, nei pasklidę pakankamai, kad nuolat su kuo nors sąveikautų. Sukibę į vidutinius, nei milžiniškus, nei mažučius lašus, jie derėtų su esamais kosmologiniais stebėjimais.

Turėdamas tai omeny, Starkmanas su kolegomis pradėjo ieškoti tokių vidutinio dydžio makrų egzistavimo įrodymų. „Tai beveik kvailiausias, bet tikrai akivaizdžiausias dalykas, kurį turėtume daryti,“ sako Starkmano bendradarbis Davidas Jacobsas, iš Keiptauno universiteto PAR.

Paieškas jie pradėjo, bandydami nustatyti, gal makrai jau yra pasirodę kur nors mažesnių galimo masės spektro dydžių dalyje. Tai reiškė fiziko Paulo Bufordo Price'o iš Kalifornijos universiteto Berklyje, ieškojusio masyvių dalelių ženklų Žemės plutoje devintajame XX a. dešimtmetyje, darbų peržiūrą. Price'as manė, kad praskriedamos sunkios, silpnai sąveikaujančios dalelės kartais gali susidurti su giliai esančių skaidrių mineralų, žėručių, kristalinėmis gardelėmis. Bet jo pavyzdžiuose, paimtuose iš Britų muziejuje laikomų kolekcijų, tokių pėdsakų neaptikta.

Liko planas B. Aštuntajame dešimtmetyje tyrėjai pritvirtino polikarbonato lakštus Skylab kosminėje stotyje, tikėdamiesi taip aptikti daleles iš plastike likusių jų pėdsakų. O būtent, jie ieškojo mažos energijos kosminių spindulių jonų. Starkmanas spėjo, kad makrai taip pat galėtų palikti žymes medžiagoje, tačiau naujas žvilgsnis į Skylabo plastiką nieko, kas primintų makrų pėdsakus, neatskleidė.

Dar buvo NAUTILUS, Italijoje, netoli nuo Romos vykdytas eksperimentas, dešimtajame dešimtmetyje pradėję gravitacinių bangų paiešką. NAUTILUS naudojamas atšaldytas 2 tonų aliuminio cilindras, atidžiai stebimas, stengiantis aptikti bet kokią deformacijas, galinčias reikšti, kad per jį perėjo erdvę ir laiką iškreipianti banga. Starkmanas, Jacobsas ir Amanda Weltman, taipogi iš Keiptauno, suprato, kad per detektorių keliaujantis makras galėjo sąveikauti su aliuminiu, išlaisvinti energiją, kurį įrenginį vos vos pašildytų ir taip jį deformuotų. Deja, makrų pėdsakų aptikti nepavyko (Physical Review D, vol 91, p 115023).

Signalų nebuvimas šiuose eksperimentuose leido Starkmanui labiau apibrėžti leistinas makrų mases, tačiau galimybių langas vis dar platus – nuo ~50 g iki Everesto masės.

Metas rengti eksperimentus, galinčius paieškų lauką susiaurinti labiau. Jacobsas tikisi, kad jūriniai hidrofonai, paprastai naudojami banginių tyrimams ar nelegalių povandeninių branduolinių bandymų fiksavimui, galėtų išgirsti per vandenyną lekiančių makrų sukeltas vibracijas. Jis taip pat planuoja ištirti dalelių liūčių, kylančių, kai protonai ar lengvi branduoliai iš kosmoso susiduria su viršutine Žemės atmosfera, paieškai skirtų kosminių spindulių detektorių duomenis. Jei makrai sąveikauja su Žemės atmosfera, jie sukurtų charakteringą šviesos signalą, tačiau kosminių spindulių detektoriai nėra užprogramuoti ieškoti tokių ženklų. Starkmanas tikisi įtikinti Pierre Auger observatoriją Argentinoje perprogramuoti savo detektorius.

Geriausias bandymas galėtų būti kiek tolėliau nuo namų: Mėnulyje. Paskutiniai Apollo astronautai, išskrisdami iš Mėnulio 1972 m., paliko keturių seismometrų tinklą. Per kitus penkis metus šie prietaisai užfiksavo tūkstančius seisminių signalų, sukeltų krentančių meteoritų, potvynio jėgų ar šylančios po ilgos mėnulio nakties mėnulio plutos plėtimosi. Mėnulis aiškiai seismiškai aktyvus, nors ir daug mažiau, nei Žemė su magmos vidumi ir judančiomis tektoninėmis plokštėmis. Ir gali būti, kad šie drebėjimų signalai gali išduoti makrų pėdsakus.

2002 m. tyrėjai pranešė apie galimą makro signalą Žemės seisminiuose duomenyse, tačiau pasirodė, kad tai klaidingas aliarmas, kilęs dėl seismometro vėluojančio laikrodžio. Dabar Starkmanas ir kiti nori grįžti į santykinę Mėnulio ramybę ir patikrinti idėją, kad pralėkdami vidutinės masės makrai gali sukurti būdingus drebėjimus.

Mėnulyje palikti seismometrai gana grubūs, bet planetologai planuoja grįžti ten su geresne įranga. Bruce'as Banerdtas iš NASA Reaktyvinio judėjimo laboratorijos Pasadenoje, Kalifornijoje, su kolegomis sudarė jautresnių mėnulio seisminių judesių aptikimo tinklą – o kadangi jie sukūrė tokį ir kitų metų InSight misijai į Marsą, jis žino, ką daro. „Nežinojau koks jautrus yra seismometras, kol pačiam neteko jo sukurti,“ sako jis. Jo sukurtas instrumentas Marsui yra toks jautrus, kad gali poziciją gali nustatyti atomo branduolio skersmens tikslumu – praskriejančio makro nustatymui to pakanka.

Ar verta taip stengtis, medžiojant tuos keistuolius iš kosmoso? Kadangi jų elgesį apskaičiuoti taip sunku, tyrėjai iki šiol negali būti tikri, kad makrų pakanka tamsiosios materijos paaiškinimui, nei ar jie pakankamai stabilūs, kad galėtų išsilaikyti drauge.

Ir tai ne vienintelė problema. „Nesuprantu, kaip jei derėtų su platesniu vaizdu,“ dvejoja Frankas Wilczekas, fizikos teoretikas iš MIT. „Kaip atsirado ši medžiaga?“ Jis taip pat spėja, kad jei makrai egzistuoja, jų susidarymui gali reikėti mažiau energijos, nei įprastai branduolio medžiagai, kas savo ruožtu kelia klausimą, kodėl aplinkui tiek daug įprastinės medžiagos.

žemas taikinys

Be to, prideda Wilczekas, įsitvirtinusios tamsiosios materijos idėjos nekilo atsitiktinai. „Gan stipriai nusivilčiau, jei logiškai iš mūsų pastangų pagerinti tiek daug žadančią pagrindų teoriją išsivystę tamsiosios materijos kilmės pasiūlymai pasirodys esantys klaidingi pėdsakai.“

Anne Green, kosmologė iš Nottinghamo universiteto JK, žiūri pragmatiškiau. „Makrų tamsioj materija tikriausiai nėra taip gerai teoriškai pagrįsta, kaip WIMPų, ar kitų dalelių tamsiosios materijos kandidatai, tačiau nėra neįtikėtina,“ sako ji. „Tikrai labai verta ieškoti makrų pėdsakų egzistuojančiuose astrofiziniuose ir kosmologiniuose duomenyse.“

Jų atradimas tikrai sukeltų didžiulį efektą. Pirmiausia, tai reikštų, kad spalvingos anksčiau fizikų išrastos ir ieškotos egzotiškos dalelės neegzistuoja. „Jei esame teisūs, tai reiškia, kad LHC neišvys tamsiosios materijos kandidatų,“ sako Jacobsas.

„Jei esame teisūs, tai reiškia, kad LHC neišvys tamsiosios materijos kandidatų,“

Kol kas niekas šių paieškų neatšaukia. Bet gal užuot dalelių greitintuvais siekę vis didesnių ir didesnių energijų, turėtume ieškoti atsakymų kvarkų jungimesi mažesnėse energijose , kad geriau apčiuoptume branduolio materijos prigimtį. Galiausiai tai gali parodyti, kad įprastos elementariosios dalelės, kurias žinome ir mylime, gali jungtis visai neįprastai. Tai , kas pažįstama, gal pasirodyti išties labai keista.