Темна матерія — не лише загадка, а й ключ до розв’язання деяких проблем. Хоча астрономи досить довго йшли до розуміння важливої ролі темної матерії у Всесвіті, особисто я усвідомив це дуже швидко. У 1978 р. в Каліфорнійському університеті в Берклі, під час свого першого проєкту після захисту дисертації, я визначав швидкості орбітального руху зореутворювальних гігантських молекулярних хмар у зовнішній частині диска нашої Галактики. Розробивши найточніший метод вимірювання цих швидкостей, я почав наносити отримані результати (рукою на міліметрівку!) у спільній кімнаті астрономічного факультету. У той момент у приміщенні перебували ще два фахівці з Галактики — Френк Шу (Frank Shu) та Айвен Кінг (Ivan King). Вони спостерігали, як я будував графік швидкостей зовнішніх хмар, і отримана в результаті картина показала нам, що Галактика дуже багата на темну матерію, особливо в зовнішніх областях. Ми сиділи й міркували про природу темної речовини, але всі ідеї, які тоді спали нам на думку, виявилися хибними.
читатиОдин із найінтригувальніших результатів недавніх космологічних спостережень полягає в тому, що близько 90% маси Всесвіту складається з невідомих частинок, які не випромінюють світла (темна речовина). Відкриття складу небарионної темної матерії — виклик сучасній фізиці (і космології, зокрема). Існує чимало припущень щодо природи небарионної темної матерії. Чи складається вона з аксіонів (нейтральних частинок, запропонованих для пояснення малості CP-порушень у сильних взаємодіях)? Чи з WIMP's (слабко взаємодійних частинок, які природно виникають у таких узагальненнях Стандартної моделі, як суперсиметрія)? Чи небарионна ТМ складається з чогось іншого, наприклад, з комбінації перелічених вище сутностей? Відповідно до традиційного підходу експериментальної науки, шлях до з'ясування природи небарионної темної матерії полягає або в прямій реєстрації зіткнень частинок ТМ з детектором, або в спостереженні (непрямий шлях) продуктів їхніх реакцій у планетах, зорях і галактиках.
Ця стаття є скороченим варіантом перекладу статті How can we make sure we detect dark matter?
читатиНа завершення нашого обговорення проблеми темної матерії коротко зупинімося на альтернативних підходах, які не вводять у розгляд темну матерію. Натомість у межах цих підходів модифікують основні рівняння теорії, такі, наприклад, як рівняння поля загальної теорії відносності та рівняння Ньютона. Почнімо з так званої модифікованої ньютонівської динаміки (MOND) [64]. Ця теорія дозволяє пояснити спостережувані криві обертання галактик без залучення будь-яких припущень про темну матерію.
Цей огляд є продовженням:
- Темна матерія. Вступ
- Спостережні докази існування темної матерії
- Феноменологічні властивості темної матерії
- Реліктова густина темної матерії
- Детектування темної матерії — космологічні спостереження
- Темна матерія — перспективи дослідження на прискорювачах
Прискорювачі частинок дають фізикам змогу зазирати дедалі далі в минуле, щоб повернутися у світ високих енергій — ранній Всесвіт, невдовзі після Великого вибуху. Чи можемо ми відповісти на запитання, чи справді чотири сили, які ми спостерігаємо сьогодні, — гравітація, електромагнітні сили, слабкі й сильні — зливаються за ультрависоких енергій у єдину силу? Взаємодія частинок за таких енергій дасть перший доказ такого об'єднання сил. Хоча інтерес до цих питань і далі зростатиме в міру проведення нових спостережень у космологічних масштабах, очевидно, що задовільні відповіді на них потребують фундаментального прогресу в нашому розумінні мікросвіту.
Цей огляд є продовженням:
- Темна матерія. Вступ
- Спостережні докази існування темної матерії
- Феноменологічні властивості темної матерії
- Реліктова густина темної матерії
- Детектування темної матерії — космологічні спостереження
Поділимо методи детектування темної матерії на дві частини: методи, що використовують космологічні спостереження, та експерименти з пошуку частинок-кандидатів темної матерії на прискорювачах. Почнемо з обговорення спроб виявити частинки-кандидати в космологічних спостереженнях.
Якщо нейтраліно або, у ширшому контексті, WIMPs є темною матерією, вони не лише утворюватимуть фонову густину Всесвіту, а й кластеризуватимуться разом зі звичайними зорями в галактичних гало. Зокрема, вони будуть присутні в нашій власній галактиці, Чумацькому Шляху. Це породжує надію на детектування реліктових WIMPs безпосередньо на Землі. Методи прямого детектування ґрунтуються на пошуку пружного (або непружного) розсіяння WIMPs на ядрах детектора-мішені. Ядра віддачі передають набуту внаслідок зіткнення енергію через іонізацію або теплові (фононні) процеси. Енергетичні втрати нейтраліно з масами $10\,GeV < m < 100\,GeV$ у таких детекторах становлять не більше $100\,keV$.
Сучасні методи реєстрації енергії ядер віддачі такого масштабу ґрунтуються на використанні традиційних сцинтиляційних, напівпровідникових і газових детекторів, а також нових низькотемпературних детекторів і детекторів на основі надпровідних мікрогранул та перегрітих крапель.
Оскільки детектування відбуватиметься на Землі, нам необхідно знати деякі характеристики нашої галактики, щоб бути впевненими в реальності такого експерименту. Зауважимо, що вивчення можливості детектування темної матерії почалося 1982 року [48]. Поділимо методи детектування темної матерії на дві частини: методи, що використовують космологічні спостереження, та експерименти з пошуку частинок-кандидатів темної матерії на прискорювачах. Почнемо з обговорення спроб виявити частинки-кандидати в космологічних спостереженнях.
Цей огляд є продовженням: