A Seeker of Dark Matter’s Hidden Light

Αποθήκευση

Φτιάξτε το. Κούνα το. Σπάστο. Αυτό είναι το ρεφρέν τριών μερών των ντετέκτιβ της σκοτεινής ύλης, συμπεριλαμβανομένης της Τρέισι Σλέιερ, μιας θεωρητικής φυσικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης.

Δεν γνωρίζουμε ποια είδη σωματιδίων είναι υπεύθυνα για τη σκοτεινή ύλη, τη μάζα που λείπει που υπερτερεί της κανονικής ύλης του σύμπαντος κατά πέντε φορές. Δεν ξέρουμε πόσο μεγάλοι είναι ή πώς συμπεριφέρονται. Υπάρχουν όμως τρεις πιθανοί δρόμοι για να το ανακαλύψουμε:Μπορούμε να ελπίζουμε ότι θα τα κατασκευάσουμε σε επιταχυντές όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC). Μπορούμε να προσπαθήσουμε να τα αισθανθούμε καθώς συγκρούονται και ανακινούν τα σωματίδια του τυπικού μοντέλου σε ευαίσθητα πειράματα άμεσης ανίχνευσης. Ή — η μέθοδος στην οποία εστιάζει ο Slatyer — θα μπορούσαμε να τα ελέγξουμε καθώς αυτοκαταστρέφονται, παρακολουθώντας μέσω τηλεσκοπίων καθώς συντρίβονται μαζί ή αποσυντίθενται στο διάστημα, παράγοντας ένα αχνό, φωτεινό σήμα.

Μέχρι στιγμής, οι ερευνητές έχουν σχεδιάσει ένα κενό. Ο LHC απέτυχε να δημιουργήσει νέα σωματίδια πέρα από το μποζόνιο Higgs. Τα πειράματα άμεσης ανίχνευσης, επίσης, δεν έχουν λάβει οριστικό σήμα. Και οι αστρονομικές αναζητήσεις για τη σκοτεινή ύλη δεν επέστρεψαν καμία σκληρή απόδειξη της ταυτότητάς της. Ωστόσο, πολλοί επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένου του Σλάιερ, υποστηρίζουν ότι ο τεράστιος αριθμός των τηλεσκοπίων που παρατηρούν το σύμπαν καθιστά πιο εφικτό για τους αστροφυσικούς να κάνουν ευρείες έρευνες για πολλούς διαφορετικούς τύπους σωματιδίων σκοτεινής ύλης. «Επειδή κάνουμε αστροφυσική, έχουμε ήδη αυτά τα τηλεσκόπια που καλύπτουν ένα τεράστιο εύρος ενεργειών», είπε ο Σλάιερ.

Η καριέρα του Slatyer μέχρι στιγμής δείχνει πώς η νέα εποχή των δεδομένων αστροφυσικής ανοιχτού κώδικα επιτρέπει σε ερευνητές πρώιμης σταδιοδρομίας που συνήθως δεν θα μπορούσαν να εξασφαλίσουν χρόνο παρατήρησης σε ένα μεγάλο τηλεσκόπιο να κάνουν σημαντικές ανακαλύψεις. Το 2009, το ευαίσθητο στις ακτίνες γάμμα τηλεσκόπιο Fermi της NASA δημοσίευσε τα δεδομένα του στο κοινό. Λίγο αργότερα, παρατηρητές, συμπεριλαμβανομένου του Slatyer, επεσήμαναν δύο τοποθεσίες όπου παράγονται επιπλέον ακτίνες γάμμα:μία στον πυρήνα του Γαλαξία μας και μία άλλη ακριβώς γύρω από αυτόν.

Αυτό είναι ακριβώς το είδος του σήματος που πιστεύεται ότι μπορεί να παράγει η σκοτεινή ύλη. Τα συγκρουόμενα σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα μπορούσαν να εκπέμπουν ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια. αυτά θα μπορούσαν να επιταχύνουν τα κοντινά φωτόνια σε ενέργειες ακτίνων γάμμα. Οι ακτίνες γάμμα φαινόταν να προέρχονται από ένα παχύ σύννεφο σκοτεινής ύλης που οι αστρονόμοι μπορούσαν να συμπεράνουν χωριστά από τα βαρυτικά στοιχεία. Η σύνδεση θα ήταν σαφής.

Το 2010, η Slatyer, τότε μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, μαζί με τη συμφοιτήτριά της Meng Su και τον σύμβουλό τους, Douglas Finkbeiner, έδειξαν ότι η ομίχλη των ακτίνων γάμμα γύρω από το κέντρο του Γαλαξία δεν ήταν ένα διάχυτο σύννεφο αλλά δύο ογκώδεις φυσαλίδες πλάσματος που συνδέονται με τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία, δομές που τώρα ονομάζονται «φυσαλίδες Fermi». Στη συνέχεια, το 2015, ο Σλάιερ ήταν μέλος μιας ομάδας που υποστήριξε ότι η περίσσεια ακτίνων γάμμα στο ίδιο το γαλαξιακό κέντρο μπορεί να προκλήθηκε όχι από τη σκοτεινή ύλη, αλλά από έναν προηγουμένως άγνωστο πληθυσμό αχνών, μυστηριωδών αστροφυσικών αντικειμένων — πιθανώς πάλσαρ. /P>

Ο Σλάιερ εργάζεται τώρα για να προσδιορίσει τι ακριβώς δημιουργεί όλες αυτές τις επιπλέον ακτίνες γάμμα στο γαλαξιακό κέντρο. Σκέφτεται επίσης πώς η εξόντωση της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να έχει αλλάξει την ιστορία του σύμπαντος. Quanta την επικοινώνησε πρόσφατα για να μιλήσει για αυτά τα έργα. Ακολουθεί μια επεξεργασμένη και συνοπτική έκδοση της συνομιλίας.

ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ QUANTA:Όταν εμφανίστηκαν για πρώτη φορά τα δεδομένα Fermi, εσείς και άλλοι υποψιαστήκατε ότι το ισχυρό σήμα ακτίνων γάμμα στο κέντρο του γαλαξία μπορεί να προέρχεται από τον αφανισμό της σκοτεινής ύλης. Αλλά δεν το πιστεύετε πια, έτσι δεν είναι;

TRACY SLATYER:Η προσωπική μου εικασία αυτή τη στιγμή είναι ότι πρόκειται για κάποιο νέο πληθυσμό σημειακών πηγών ακτίνων γάμμα, πιθανώς κάποιο νέο πληθυσμό πάλσαρ. Αλλά είναι ένας πραγματικά περίεργος πληθυσμός! Εννοώ, δεν μοιάζει καθόλου με τον δίσκο του γαλαξία. Μοιάζει με έναν νέο πληθυσμό που είναι συστηματικά πιο αμυδρός από τα πάλσαρ που έχει ήδη δει ο Fermi. Δεν έχουμε ακόμη μια καλή εξήγηση για το από πού θα προέρχονταν αυτά τα πάλσαρ και δεν έχουμε ακόμη επιβεβαιώσει ότι είναι πάλσαρ. Είναι ένα μεγάλο παζλ.

Έτσι, ακόμα κι αν δεν πρόκειται για σκοτεινή ύλη, δεν είναι σαφές ποια αστρονομικά αντικείμενα θα μπορούσαν να μιμηθούν τόσο ολοκληρωμένα πώς θα πρέπει να μοιάζει η σκοτεινή ύλη;

Νομίζω ότι θα ήταν πολύ καλό για το πεδίο αν μπορούσαμε να κατανοήσουμε την αστροφυσική που μπορεί να δώσει αφορμή για σήματα όπως αυτό. Επειδή αυτό μοιάζει πολύ με το σήμα της σκοτεινής ύλης. Αν δεν είναι σκοτεινή ύλη, είναι πολύ αποτελεσματικό ψεύτικο. Έχει λίγο πολύ το σωστό φάσμα. Έχει μια χωρική κατανομή που είναι σε μεγάλο βαθμό αυτό που θα περιμέναμε από τον αφανισμό της σκοτεινής ύλης. Αν πρόκειται να κάνουμε αναζητήσεις για σκοτεινή ύλη, πρέπει να κατανοήσουμε σήματα όπως αυτό.

Φυσικά θα ήθελα να ανακαλύψω τη σκοτεινή ύλη, αλλά μέρος του λόγου που ασχολήθηκα με την επιστήμη είναι ότι είναι τόσο ωραίο να βρίσκεις κάτι που κανείς δεν έχει δει ποτέ πριν. Με αυτά τα σήματα, θέλω να μάθω ποια είναι. Θέλω να μάθω ποια είναι η απάντηση. Εάν η απάντηση είναι η σκοτεινή ύλη, θα ήταν υπέροχο, αλλά θέλω απλώς να μάθω ποια είναι η απάντηση.

Πώς μπήκατε σε αυτή τη θέση μεταξύ της σωματιδιακής φυσικής και της αστρονομίας;

Πήγα στο Χάρβαρντ για αποφοίτηση σκεπτόμενος:Εντάξει, θα δουλέψω σε υπερδιάστατα μοντέλα του σύμπαντος με τη Lisa Randall και τη Nima Arkani-Hamed. Στο τέλος του πρώτου μου έτους, ο Νίμα ανακοίνωσε ότι μετακομίζει στο [Ινστιτούτο Προχωρημένων Σπουδών στο] Πρίνστον και η Λίζα ανακοίνωσε ότι πήγαινε σε σαββατοκύριακο. Και πήγα:Χμμ, απαιτείται σχέδιο Β. Για καλή μου τύχη, μου γνώρισαν έναν νέο νεαρό καθηγητή στο τμήμα αστροφυσικής που ονομαζόταν Doug Finkbeiner. Και ο Νταγκ εκείνη την εποχή έψαχνε για έναν μαθητή με κάποια εκπαίδευση στη φυσική των σωματιδίων. Μιλούσα με πολλούς φυσικούς σωματιδίων και σε εκείνο το στάδιο ολόκληρο το πεδίο περίμενε πραγματικά με κομμένη την ανάσα να ανάψει ο LHC και τελικά να αρχίσει να μας δίνει δεδομένα. Αλλά όταν μίλησα με τον Doug, ανακάλυψα ότι στην αστροφυσική υπήρχαν όλα αυτά τα δεδομένα γύρω, και ο αριθμός των ανθρώπων που έσκαβαν σοβαρά αυτές τις πληροφορίες ήταν πολύ μικρότερος από τον αριθμό των ανθρώπων που σχεδίαζαν να εργαστούν σε δεδομένα LHC, ειδικά αν εστιαζόσουν σε σε ανθρώπους που αναζητούν τα σήματα της νέας θεμελιώδους φυσικής.

Ήμουν σαν:Λοιπόν, υπάρχουν όλα αυτά τα δεδομένα, υπάρχουν όλα αυτά τα αναπάντητα ερωτήματα, εκεί όλα αυτά τα σήματα κρύβονται σε αυτά τα δεδομένα που μπορεί να μας λένε κάτι πολύ ενδιαφέρον και υπάρχει έλλειψη ανθρώπων για να τα εργαστούν. Μπορώ να το κάνω αυτό.

Η σκοτεινή ύλη είναι, εξ ορισμού, αόρατη. Είναι επίσης ανεξερεύνητο. Πώς ξέρετε τι πρέπει να προσέξετε;

Ας υποθέσουμε ότι λέτε:Εντάξει, θα υποθέσω ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης μου συγκρούονται και ότι όταν συγκρούονται, εκμηδενίζονται και παράγουν σωματίδια Καθιερωμένου Μοντέλου. Τώρα, αυτό προφανώς συνέβαινε για όλη τη διάρκεια της ζωής του σύμπαντος. Εάν ο ρυθμός εκμηδένισης είναι πολύ γρήγορος, δεν θα σας είχε μείνει καμία σκοτεινή ύλη σήμερα. Εάν είναι πολύ αργό, θα σας είχε μείνει πολύ σκοτεινή ύλη σήμερα. Ακριβώς από τη μέτρηση της ποσότητας της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν - που έχει γίνει - θα μπορούσαμε να προβλέψουμε πόσο γρήγορα θα πρέπει να συγκρούονται τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης και να μετατρέπονται σε σωματίδια Καθιερωμένου Μοντέλου. Στη συνέχεια, αυτό μας δίνει μια εκτίμηση για το πόσο μεγάλο σήμα πρέπει να βλέπουμε από διάφορα αντικείμενα.

Σύμφωνα με αυτήν την εκτίμηση, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να παρατηρήσουμε εκμηδενισμούς της σκοτεινής ύλης σήμερα;

Katherine Taylor για το Quanta Magazine

Βίντεο: Η Τρέισι Σλέιερ εξηγεί γιατί δεν απογοητεύεται όταν ένα μυστηριώδες κοσμικό σήμα αποδεικνύεται ότι είναι κάτι διαφορετικό από τη σκοτεινή ύλη.

Βρισκόμαστε πραγματικά σε μια πολύ ενδιαφέρουσα περίοδο. Εάν η σκοτεινή ύλη είναι μικρότερη από περίπου 100 γιγαηλεκτρόνια βολτ - περίπου 100 φορές τη μάζα ενός πρωτονίου - τότε θα πρέπει να βλέπουμε ήδη σήματα εκμηδένισης από νάνους γαλαξίες. Μόνο με τα σημερινά τηλεσκόπια μας. Θα έπρεπε να είχαμε αρχίσει να το βλέπουμε μόνο τα τελευταία δύο χρόνια. Βρισκόμαστε λοιπόν σε μια ιδιαίτερη στιγμή που τα τηλεσκόπια μας διερευνούν αυτήν την πολύ ενδιαφέρουσα περιοχή.

Κοιτάξτε επίσης πίσω στο χρόνο, για αποδείξεις εξόντωσης της σκοτεινής ύλης στο πρώιμο σύμπαν. Πώς μπορεί να λειτούργησε;

Έτσι, υπάρχουν δυνητικά αρκετά ενδιαφέροντα εφέ. Υπήρξε μια περίοδος στην ιστορία του σύμπαντός μας πριν ανοίξουν τα αστέρια ή οι γαλαξίες, όταν το σύμπαν ήταν ένα μέρος αρκετά χαμηλής ενέργειας, όπως θα μπορούσε να πει ο Ντόναλντ Τραμπ. Βασικά ήταν απλώς μια μάζα ουδέτερου υδρογόνου και ουδέτερου ηλίου και σκοτεινής ύλης, με συστάδες σκοτεινής ύλης εδώ κι εκεί.

Εάν ο αφανισμός της σκοτεινής ύλης στο πρώιμο σύμπαν λειτουργούσε ως αυτή η συνεχής, πανταχού παρούσα αντλία σωματιδίων υψηλής ενέργειας στο ορατό σύμπαν, θα μπορούσε να είχε αρκετά εντυπωσιακά αποτελέσματα στην εξέλιξη αυτού του σκοτεινού σύμπαντος. Αυτό δεν είναι κάτι που μπορεί εύκολα να μιμηθεί από αστροφυσικές διεργασίες.

Έχουμε λαβές παρατήρησης για εκείνη την περίοδο. Έχουμε τα φωτόνια του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων, τα οποία εκπέμπονται στην αρχή αυτής της περιόδου, και ταξιδεύουν σε εμάς κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου - μέσα από αυτό το σκοτεινό, ουδέτερο σύμπαν. Οποιεσδήποτε αλλαγές σε αυτό αφήνουν αποτυπώματα στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων που μπορούμε να μετρήσουμε με μεγάλη ευαισθησία.

Μόλις φτάσετε στην περίοδο όπου τα αστέρια αρχίζουν να ανάβουν, όπου αρχίζουν να σχηματίζονται γαλαξίες, η σκοτεινή ύλη συσσωρεύεται επίσης, και έτσι οι συγκρούσεις σκοτεινής ύλης μπορεί να γίνουν πολύ πιο συχνές. Η σκοτεινή ύλη και πάλι αυτή την περίοδο θα μπορούσε να παρέχει αυτή τη σταθερή ροή σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Αυτά τα σωματίδια μπορούν να ιονίσουν το υδρογόνο. μπορούν να το ζεστάνουν.

Σε ένα έγγραφο από αυτόν τον Απρίλιο, ωστόσο, φαίνεται ότι υποστηρίζετε ότι η σκοτεινή ύλη δεν θα μπορούσε να έχει αλλάξει πολύ το πρώιμο σύμπαν. Αυτό σημαίνει ότι αυτά τα εφέ θα ήταν διακριτικά, στην καλύτερη περίπτωση;

Εξετάζαμε ένα πολύ συγκεκριμένο ερώτημα, το οποίο ήταν:Θα μπορούσε η σκοτεινή ύλη να έπαιξε σημαντικό ρόλο στον επαναιονισμό, την περίοδο κατά την οποία το σύμπαν έγινε από σχεδόν εντελώς ουδέτερο σε σχεδόν εντελώς ιονισμένο αρκετά απότομα; Και αυτό που διαπιστώσαμε είναι ότι είναι δύσκολο για τον αφανισμό ή την αποσύνθεση της σκοτεινής ύλης να συμβάλει πολύ στη συγκεκριμένη διαδικασία.

Έτσι, αυτό το χαρτί ήταν απλώς ένα μαχαίρι σε αυτή την πρώτη ερώτηση, αλλά το ευρύτερο πρόγραμμα είναι να κατανοήσουμε γενικότερα ποιες είναι οι πιθανές παρατηρήσιμες επιπτώσεις της εξόντωσης ή της αποσύνθεσης της σκοτεινής ύλης από τους κοσμικούς σκοτεινούς αιώνες μέχρι την περίοδο κοντά στον επαναιονισμό.

Ανυπομονούμε, υπάρχουν άλλες ιδέες στις οποίες εργάζεστε για νέες υπογραφές στη σκοτεινή ύλη;

Υπάρχει ένα χαριτωμένο πρόβλημα που σκέφτομαι εδώ και καιρό. Υποψιάζομαι ότι για αυτό το συγκεκριμένο μοντέλο οι ενδιαφέρουσες υπογραφές δεν είναι ορατές στο άμεσο μέλλον, επομένως πρόκειται για μια ιστορία του μέλλοντος.

Η ιδέα του σκοτεινού τομέα είναι ότι ίσως η σκοτεινή ύλη δεν είναι το μόνο νέο σωματίδιο. Ίσως η σκοτεινή ύλη να αλληλεπιδράσει με τον εαυτό της μέσω μιας δύναμης που αισθάνεται και αυτή η συνηθισμένη ύλη όχι, με τον ίδιο τρόπο που η συνηθισμένη ύλη αισθάνεται ηλεκτρομαγνητισμό και η σκοτεινή ύλη όχι.

Αν έχω δύο σωματίδια αντίθετου φορτίου, το γεγονός ότι υπάρχει ηλεκτρομαγνητική έλξη μεταξύ τους σημαίνει ότι είναι πολύ πιο πιθανό να συγκρουστούν μεταξύ τους. Έτσι, με τον ίδιο τρόπο, αν η σκοτεινή ύλη έχει τη δική της δύναμη, αυτό την κάνει πολύ πιο πιθανό να αλληλεπιδράσει με τον εαυτό της. Αν σκεφτείτε τα άλλα πράγματα που θα μπορούσαν να κάνουν τα ζεύγη φορτισμένων σωματιδίων υπό την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, ένα πράγμα που συμβαίνει είναι ότι σχηματίζουν άτομα. Και σε αυτούς τους σκοτεινούς τομείς θα μπορούσατε να έχετε παρόμοια αποτελέσματα. Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να σχηματίσει δεσμευμένες καταστάσεις που μοιάζουν με άτομα.

Τελικά αυτή η δεσμευμένη κατάσταση πιθανότατα θα εκμηδενιστεί, επομένως θα καταστρέψει τον εαυτό της με τον ίδιο τρόπο που λειτουργεί συνήθως η εξάλειψη της σκοτεινής ύλης, παρέχοντας έναν καταρράκτη σωματιδίων Καθιερωμένου Μοντέλου. Αλλά ο σχηματισμός της δεσμευμένης κατάστασης και οι μεταβάσεις μεταξύ διαφορετικών δεσμευμένων καταστάσεων, θα μπορούσαν επίσης να παράγουν φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας. Σε κάποιο μακρινό σενάριο απώτερου μέλλοντος, αν όντως είδατε το σήμα εκμηδένισης της σκοτεινής ύλης, τότε η αναζήτηση αυτού του μικρού δάσους φασματικών γραμμών από τις μεταβάσεις δεσμευμένης κατάστασης θα μπορούσε ενδεχομένως να σας δώσει πολλές πληροφορίες για τη σωματιδιακή φυσική του σκότους θέμα — ακόμα κι αν, για παράδειγμα, ήταν πολύ βαρύ για να γίνει ποτέ στο LHC.

Αυτή ακριβώς η ερώτηση, για το πώς μπορείτε να υπολογίσετε σωστά τον σχηματισμό των δεσμευμένων καταστάσεων και να υπολογίσετε τον αντίκτυπό τους στις παρατηρήσεις, είναι κάτι που σκεφτόμουν εδώ και πολύ καιρό.

Μπορούμε λοιπόν να μάθουμε για τη σκοτεινή ύλη από τις φασματικές γραμμές της;

Θα βλέπατε το συμβάν υψηλής ενέργειας, που μοιάζει με εκμηδένιση ποζιτρονίων-ηλεκτρονίου, όπου όλη η ενέργεια της σκοτεινής ύλης μετατρέπεται σε προϊόντα Τυπικού Μοντέλου, αλλά θα λαμβάνατε επίσης το μικρό δάσος των γραμμών μετάβασης σε πολύ χαμηλότερες μάζες, πιθανώς, και θα σας έλεγαν για τις δυνατότητες που βιώνει η σκοτεινή ύλη, πώς αλληλεπιδρά με φορείς δύναμης.

Θα μπορούσατε να κάνετε φασματοσκοπία σκοτεινής ύλης. Αλλά θα έπρεπε να βρούμε πρώτα το σήμα της σκοτεινής ύλης προτού σκεφτείτε να κάνετε φασματοσκοπία σκοτεινής ύλης!