Физики признали, что даже не представляли себе вселенную

Физики удивлены: они не могут представить, что такое темная материя. «У всех нас есть свои головы», – сказала Рейна Маруяма, физик из Йельского университета (США).
«Сказать, что 80 % из них – это одно, а еще 20 % – что-то другое», – сказал Грей Рыбка, физик из Университета Вашингтона (США). Почему он так думает? Потому что это больше не наука. Это как мудрость народного фольклора.
Ученые, просматривая телескопы, обнаружили множество подтверждений тому, что материя существует. Также они отметили, что галактики вращаются быстрее, чем они могли предложить, оценивая только свою визуальную массу. Известные гравитационные уравнения показывают, что все эти галактики, вращаясь с такой скоростью, должны разбрызгивать жидкую пасту, смешанную, как блендер. Вот почему идея о том, что галактика рассматривается наподобие субстанции – темной материи, создающей сильнейшую гравитацию, вышла на первый план.
Астрофизики выявили то, что темная материя является неким равномерно распределенным материалом. «Как необработанный хлопок», – говорит Мускьяма, глава проекта по поиску темного материала Cosine-100.
На Земле гораздо меньше доказательств. Зная скорость вращения галактики, можно сделать вывод, что темная материя составляет около 85 % всей материи вселенной. На нашей планете есть только один проект – DAMA в Италии, в котором присутствуют весомые аргументы в пользу существования темной материи на Земле.
«В ходе другого эксперимента были выдвинуты некоторые другие подозрительные результаты, но DAMA – единственный, который дал хороший итог», – сказал Мазьяма, не итальянский проект.
В течение двух десятилетий подряд DAMA постоянно регистрирует сигнал, говорящий о том, что Земля достигает темной материи. Этот сигнал указывает на то, что количество этого материала зависит от места Земли на орбите: оно растет в июне и падает в декабре. Этот результат соответствует теоретическим прогнозам.
Однако, несмотря на многочисленные исследовательские проекты и огромное финансирование исследований, ученые не могут предоставить более многообещающие результаты. В этом году даже несколько ученых в поисках темных материалов ничего не нашли. Руководители XENONIT из той же лаборатории, что и ученые DAMA, объявили о своих неудачных поисках в мае. В Китае руководители Panda-X объявили о своей неудаче в июле. Декабрь – R.Maruyama привел проект: Южная Корея построила точную копию DAMA. В нем датчик составляет около 90 кг йодида натрия – ученые объявили о том, что итальянские исследователи повторили результаты, которые им не удались.
Все эти эксперименты искали звание одного конкретного кандидата на «темную материю»: теоретические классы частиц, называемые слабо взаимодействующими массивными частицами (WIMP). Теоретически это должно быть примерно в миллион раз тяжелее электронных частиц. В течение многих лет WIMP был доминирующим в поисках темной материи. Астрофизик Мигель Зумалакарг из Калифорнийского университета был в неведении в течение почти десятилетия, как «вечно перспективные» баскетболисты.
«Но ученые все еще выполняют свою работу с пустыми руками», – сказал физик, разочарованный этими частицами. И он не один. «В некотором смысле, я устал от WIMP долгое время», – говорит Грей Рыбка.
Он принадлежит к руководителям эксперимента по поиску другого “претендента” на темную материю: пластичных частиц, именуемых аксионами, которые, теоретически, должны быть примерно в миллиард раз легче электрона (и, соответственно, в миллион миллиардов раз легче, чем WIMP). В апреле исследователи Axion Dark Matter Experiment объявили, что в итоге они откалибровали свой датчик так, чтобы он был достаточно чувствительным, чтобы захватывать аксионы.
По словам Рыбки, этот датчик работает аналогично радиоприемнику: сильный магнит внутри этого датчика превратит аксионы, несущие датчик, в радиоволны, которые могут быть захвачены.
«Поскольку мы не знаем точный вес аксиона, мы не знаем, с какой частотой настраивать датчик. Но я надеюсь, что придет день, когда мы выберем правильную частоту и услышим этот чистый тон », – сказала Грей Рыбка. Он более склонен искать не WIMP, но и аксионы, потому что они позволяют нам решить еще один давний вопрос физика: как именно кварки соединяются друг с другом и образуют ядра атомов.
Хотя он и его коллеги пытались найти хотя бы некоторые земные свидетельства существования аксионов, астрофизики в небе продолжали исследовать новые возможности. А в октябре этого года Зумалакаррегу и его коллеги отвергли старую идею о том, что темная материя состоит в основном из черных дыр. Они сделали этот вывод после анализа материала наблюдения сверхновых, собранных за два десятилетия. С нашей точки зрения, когда сверхновая возникает за черной дырой, гравитация которой вызывает искажение света сверхновой и, по-видимому, усиливая его. Чем ярче свет, тем крупнее черная дыра.
Таким образом, сравнивая яркость сотен сверхновых, ученые подсчитали, что суммируя все черные дыры с минимальной массой в 100 раз меньше, чем у Солнца, они вместе могут составить до 40 % всей массы темной материи, но не более.
«Мы достигли точки, когда наши лучшие теории рушатся. Очевидно, нам нужна новая идея. Мы ничего не понимаем в принципах Вселенной », – сказал Джейми Фарнс, астрофизик из Оксфордского университета (Великобритания).
Фарнс хочет заполнить эту пустоту. В декабре он опубликовал свою научную работу , в которой предположил, что темная материя может быть некой странной жидкостью, которая приближается к вам, когда вы хотите подтолкнуть ее. Он спроектировал упрощённую модель Вселенной, которая содержит такую жидкость, и обнаружил, что он может объяснить не только то, что вокруг вращается галактика, но и то, как будет выглядеть Вселенная, которая является второй из великих астрофизических загадок, которые временно использовались для темной материи. Нет более загадочной концепции темной энергии. Ученый очень осторожно указывает, что его идеи пока находятся только на уровне отражения, и до сих пор неясно, совместимы ли они до сих пор с космическими наблюдениями и экспериментами на темной материи.
С другой стороны, в то время как ученые все более и более готовы искать альтернативные объяснения темной материи, WIMP все еще может быть правильным ответом. Эксперимент Mooryama в Южной Корее позволил только «стандартную, каноническую версию WIMP, о которой многие говорят», сказал ученый. Но есть еще несколько менее известных, не очень «популярных» родственников WIMP.
Важно помнить, что когда физики открывают любую новую теорию – независимо от того, сколько новых идей она дала бы застойной области науки – обязательно, чтобы имеющиеся данные не противоречили этой теории. «Вселенная не заботится о том, чтобы теория была элегантной или удивительной. Не волнуйтесь, если теория модна. Старейшины, Вселенная, могут ужасно исчезать», – говорит Фарнс.