สสารมืดเพิ่งจะเมอร์กี้

ดอนลินคอล์นเป็นนักวิทยาศาสตร์อาวุโสที่ Fermilab ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาซึ่งเป็นสถาบันวิจัยใหญ่ Hadron Collider ที่ใหญ่ที่สุดของอเมริกา นอกจากนี้เขายังเขียนเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์เพื่อสาธารณชนรวมถึงล่าสุดของเขา "The Large Hadron Collider: เรื่องราวพิเศษของ Higgs Boson และสิ่งอื่น ๆ ที่จะทำให้คุณนึกถึง"(สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัย Johns Hopkins, 2014) คุณสามารถติดตามเขาได้Facebook- ลินคอล์นสนับสนุนบทความนี้ให้กับ Live Science'sVoices Expert: Op-Ed & Insights-

พวกเขาบอกว่าความรักทำให้โลกไปรอบ ๆ และนั่นอาจเป็นจริง แต่เมื่อคุณดูสิ่งต่าง ๆ ในระดับที่ใหญ่กว่า - พูดขนาดของกาแลคซี - รักก็ไม่เพียงพอ และสำหรับเรื่องนั้นไม่ได้เป็นดาวของกาแลคซีเอง ในความเป็นจริงสิ่งที่ทำให้กาแลคซีเดินไปรอบ ๆ เป็นเรื่องที่ไม่เคยสังเกตโดยตรง "สิ่ง" ที่ยังไม่ถูกค้นพบนั้นเรียกว่า Dark Matter และมีการประกาศการวัดใหม่ที่น่าทึ่งเมื่อเร็ว ๆ นี้ว่าทำให้โลกทางวิทยาศาสตร์คิดใหม่เกี่ยวกับความคิดที่ยาวนาน

การมีส่วนร่วมล่าสุดต่อความรู้ของเราเกี่ยวกับสสารมืดนั้นเกิดขึ้นโดยซีนอนใต้ดินขนาดใหญ่(Lux) การทำงานร่วมกัน Lux เป็นเรือที่ประกอบด้วยซีนอนของเหลวหนึ่งในสามและเป็นเครื่องตรวจจับสสารสีเข้มที่ทรงพลังที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา ห้องปฏิบัติการแห่งนี้ตั้งอยู่ที่ศูนย์วิจัยใต้ดินของแซนฟอร์ด (SUFF) ห้องปฏิบัติการที่มืดมิดแห่งนี้ตั้งอยู่ภายใต้ Black Hills เกือบหนึ่งไมล์ใกล้กับ Lead, South Dakota มันถูกออกแบบมาเพื่อตรวจจับลมไอของสสารมืดที่คิดว่าจะไหลผ่านระบบสุริยจักรวาล- -6 ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ใต้ดินเย็น-

และสิ่งนี้ก็คือมันไม่ได้ตรวจพบอะไรเลย การไม่ค้นพบนั้นเป็นสิ่งที่ทำให้นักฟิสิกส์คิดใหม่ว่าพวกเขาคิดอย่างไรสสารมืด-

ถือกาแลคซี

สสารมืดเป็นคำตอบสำหรับปัญหาอายุเกือบหลายศตวรรษ ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1930 หลังจากนั้นไม่นานนักดาราศาสตร์ก็ตระหนักว่าจักรวาลประกอบด้วยกาแลคซีนับไม่ถ้วนนักวิทยาศาสตร์หันมาให้ความสนใจกับการทำความเข้าใจพลวัตของดาวที่โคจรรอบกาแลคซี - โดยพื้นฐานแล้วกาแลคซีหมุนได้อย่างไร นักดาราศาสตร์ชาวดัตช์ Jan Oort สมัครกฎการเคลื่อนไหวของนิวตันและแรงโน้มถ่วงต่อเรื่องที่สังเกตได้ในตัวเราเองทางช้างเผือกและพบว่ากาแลคซีของเราหมุนเร็วกว่าที่เขาคำนวณ ปรากฏว่าทางช้างเผือกมีมวลสองเท่าที่นักดาราศาสตร์ประเมิน แน่นอนว่านี่เป็นยุคที่ดาราศาสตร์กาแล็คซี่ที่แม่นยำเกิดขึ้นและไม่เห็นด้วยระหว่างการคำนวณและการวัดเพียงปัจจัยเดียวเท่านั้นที่ถือว่าเป็นข้อตกลงที่ยอดเยี่ยม

อย่างไรก็ตามไม่นานหลังจากการวัดของ Oort นักดาราศาสตร์บัลแกเรีย-สวิส Fritz Zwicky กำลังศึกษากลุ่มอาการโคม่าซึ่งเป็นกลุ่มใหญ่กว่าหนึ่งพันกาแลคซีที่ถูกผูกไว้ด้วยแรงโน้มถ่วงร่วมกันในโครงสร้างขนาดใหญ่ เมื่อเขาวัดความเร็วของกาแลคซีเขาก็พบว่าพวกเขาก็เคลื่อนไหวเร็วเกินไปสำหรับแรงดึงที่อ่อนโยนของ Gravity ที่จะจับพวกเขาไว้ด้วยกัน โดยสิทธิทั้งหมดคลัสเตอร์ควรฉีกขาดออกจากกัน แต่มันไม่ได้ เขาคำนวณว่าคลัสเตอร์มีสสารมากกว่ากล้องโทรทรรศน์ทั่วไปถึง 400 เท่า การวัดที่ทันสมัยได้ลดจำนวนนั้น แต่ความแตกต่างยังคงคิดว่าเป็นปัจจัย 100. Zwicky เสนอว่ามีประเภทของสิ่งที่มองไม่เห็นซึ่งรวมตัวกันเป็นกลุ่มที่เขาเรียกว่า "Dunkle Materie" หรือสสารมืด -TED-EX TALK: Dark Matter อธิบายความเร็วของดาวได้อย่างไร?-

ในปี 1970 นักดาราศาสตร์ Vera Rubin กำลังพยายามหาหัวข้อที่ไม่มีข้อโต้แย้งเพื่อศึกษาเมื่อเธอหันความสนใจไปที่เส้นโค้งการหมุนของกาแลคซี นี่คือการวัดความเร็ววงโคจรของดาวในกาแลคซีเป็นฟังก์ชั่นระยะห่างจากศูนย์กลาง เธอพบว่าการวัดเห็นด้วยกับการคาดการณ์ที่ดีมากที่ศูนย์กลางของกาแลคซีและแม้กระทั่งใกล้ถึงรอบนอก แต่ในเขตชานเมืองของกาแลคซีดาวกำลังโคจรรอบเร็วกว่าที่จะได้รับการช่วยเหลือจากกฎของฟิสิกส์ที่รู้จักและเรื่องที่สังเกตได้ ดูเหมือนว่าสสารมืดของ Zwicky อาจปรากฏขึ้นในการตกแต่งภายในของกาแลคซีเช่นกัน (เห็นได้ชัดว่ารูบินล้มเหลวอย่างยิ่งยวดในความพยายามของเธอในการค้นหาหัวข้อที่ไม่มีข้อโต้แย้ง)

ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมามีการเสนอความคิดหลายอย่างเพื่ออธิบายความลึกลับทางดาราศาสตร์มากมายจากความเป็นไปได้ที่กฎการเคลื่อนไหวของนิวตันอาจไม่นำไปใช้เมื่อการเร่งความเร็วมีขนาดเล็กไปจนถึงความคิดที่ว่าทั้งนิวตันและไอน์สไตน์ผิดแรงโน้มถ่วง- สมมติฐานเหล่านี้ไม่รอดชีวิตจากการทดสอบอย่างเข้มงวด ความคิดอีกประการหนึ่งคือบางทีอาจมีสสารประเภทในจักรวาลที่ไม่ปล่อยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ... นี่คือสสารมืดของ Zwicky

แต่ถึงแม้ที่นี่ก็มีความเป็นไปได้มากมาย ตัวเลือกที่เป็นไปได้มากที่สุดคือจักรวาลเป็นที่ตั้งของโรงละครสัตว์ของหลุมดำแคระสีน้ำตาลดาวเคราะห์อันธพาลและวัตถุมืดอื่น ๆ ที่ประกอบด้วยเรื่องธรรมดาแบบเดียวกันที่ประกอบขึ้นเป็นองค์ประกอบที่มองเห็นได้ของจักรวาล วัตถุเหล่านี้มีขนาดใหญ่และกะทัดรัดและเย็นพอที่จะไม่ปล่อยแสงเหมือนดวงดาว วัตถุบางอย่างเช่นนี้พบ แต่ไม่เพียงพอที่จะไขปริศนา ดังนั้นการสำรวจทางดาราศาสตร์ในปี 1990 ได้ตัดความคิดนี้ออกมาอย่างสมบูรณ์เช่นกัน การเอาหน้าจาก Sherlock Holmes ใน“ สัญลักษณ์ของสี่” ซึ่งเขากล่าวว่า“ เมื่อคุณได้ตัดสิ่งที่เป็นไปไม่ได้สิ่งที่เหลืออยู่ไม่ว่าจะเป็นไปไม่ได้ บางทีอาจจะน่าประหลาดใจมากขึ้นก็ดูเหมือนจะมีสสารมืดกว่าเรื่องธรรมดาถึงห้าเท่า

คุณสมบัติของสสารมืด

เราไม่เคยสังเกตเห็นสสารมืดโดยตรง แต่เรารู้ดีมากเกี่ยวกับสิ่งที่ต้องเป็น: มันต้องมีขนาดใหญ่ (เพราะมันส่งผลกระทบต่อการหมุนของกาแลคซี); มันจะต้องเป็นกลางทางไฟฟ้า (เพราะเรามองไม่เห็น); มันจะต้องแตกต่างจากเรื่องธรรมดา (เพราะเราไม่เห็นหลักฐานว่ามันมีปฏิสัมพันธ์กับสสารในรูปแบบปกติ); และมันจะต้องมีเสถียรภาพ (เพราะมันมีอยู่ตั้งแต่รุ่งอรุณของจักรวาล) คุณสมบัติเหล่านี้ชัดเจน

อย่างไรก็ตามเราไม่รู้ว่ามันคืออะไร ในทฤษฎีทั่วไปที่ได้รับความนิยมมากที่สุดอนุภาคสสารสีเข้มเรียกว่า WIMP สำหรับการโต้ตอบกับอนุภาคขนาดใหญ่ที่อ่อนแอ- WIMPS เป็นเหมือนนิวตรอนหนัก (แต่ไม่ใช่นิวตรอน) โดยมีมวลหนักกว่าโปรตอน 10 ถึง 100 เท่า พวกเขาถูกสร้างขึ้นในปริมาณมากในช่วงบิ๊กแบงและส่วนที่เหลือเล็ก ๆ ยังคงมีอยู่จนถึงทุกวันนี้

เมื่อนักจักรวาลวิทยาเพิ่มแนวคิด WIMP ให้กับความคิดของพวกเขาเกี่ยวกับบิ๊กแบงพวกเขาสามารถคำนวณได้ว่ามันจะโต้ตอบอย่างไร พวกเขาพบว่าในช่วงแรกของจักรวาล WIMPS เป็นรูปแบบที่โดดเด่นของสสาร แต่เมื่อจักรวาลขยายและทำให้เย็นลงและอัตราการปฏิสัมพันธ์ลดลงเป็นศูนย์จำนวน WIMPs ที่ระลึกนั้นมีขนาดใหญ่พอ ๆ กับเรื่องธรรมดา เมื่อรวมกับความจริงที่ว่าแนวคิด WIMP ยังสามารถอธิบายความลึกลับทางทฤษฎีที่เร่งรีบได้ว่าทำไมอนุภาค Higgs Bosonมีมวลน้อยนักวิทยาศาสตร์เรียกสิ่งนี้ว่า "Miracle Wimp" ในมุมมองของความจริงที่ว่าแนวคิด WIMP ดูเหมือนจะตอบคำถามมากมาย

การไม่ค้นพบที่มืด

ดังนั้นสิ่งนี้ทำให้เรากลับมาการทดลอง LUX- เป็นการทดลองล่าสุดและทรงพลังที่สุดที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับ WIMPS ความคิดคือเครื่องตรวจจับจะนั่งอยู่ใต้ดินเป็นเวลานานพูดหนึ่งปีหรือมากกว่านั้นและ WIMP ที่หายากจะชนเข้าไปในอะตอมซีนอนและตรวจพบ (เครื่องตรวจจับถูกฝังอยู่ใต้ดินเพื่อป้องกันมันจากรังสีคอสมิคซึ่งจะชนกับอะตอมซีนอนและการตรวจจับสสารมืดปลอมครึ่งไมล์หรือหนึ่งไมล์หยุดลงใต้ดินเกือบทั้งหมดรังสีคอสมิค)

เมื่อวันที่ 27 สิงหาคมนักวิจัย Lux ได้ประกาศผลของพวกเขา พวกเขาเห็นไม่มีหลักฐานสำหรับ wimps ที่มืดมิด-

นั่นไม่ใช่เรื่องน่าประหลาดใจจริงๆ มีการทดลองหลายสิบครั้งที่มองหาสสารมืดและไม่พบอะไรเลย ในแง่นี้ Lux ได้เข้าร่วมกลุ่มที่น่าเคารพนับถือ แต่ลักซ์ก็มีความสามารถมากกว่า คาดว่าจะมีการยิงที่ดีกว่าในการค้นหา wimps มากกว่าเครื่องมืออื่น ๆ

แต่มันไม่ได้

นั่นหมายความว่าความคิดของ WIMP นั้นตายไปแล้ว? ไม่ไม่จริงๆ เครื่องตรวจจับสสารมืดได้รับการปรับให้มีความอ่อนไหวต่อมวลบางชนิดมากที่สุดเช่นวิธีการที่ไมโครโฟนโดยเฉพาะอาจเลือกเสียงอายุได้ดีกว่าที่ได้ยินเสียงโซปราโนหรือเบส Lux ได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อหา WIMP ที่มีมวลหนักกว่าโปรตอนไม่กี่สิบเท่า ในความเป็นจริงมันตัด wimp ที่มีมวล 50 ครั้งของโปรตอนด้วยการปฏิเสธที่น่าประทับใจ อย่างไรก็ตาม LUX ไม่ได้ทำดีนักในการตรวจจับ WIMPS ด้วยมวลต่ำกว่า 10 เท่าของโปรตอน และหาก WIMPs มีอยู่และมีมวลหนักกว่าโปรตอน 1,000 เท่านี่ก็ไม่ใช่ช่วงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการตรวจสอบ ดังนั้นยังมีช่วงของมวลที่อาจมีอยู่

Axions, Dark Life และ Dark Charge

ถึงกระนั้น WIMPS ก็เป็นความคิดที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับสสารมืด มีสมมติฐานอื่น ๆ สมมติฐานหนึ่งชี้ไปที่อนุภาคที่เรียกว่ากนิวตริโนที่ผ่านการฆ่าเชื้อซึ่งเป็นลูกพี่ลูกน้องของนิวตริโนที่คุ้นเคยมากขึ้นที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยานิวเคลียร์ ในความเป็นจริงนิวตริโนจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใหญ่ที่สุดในบริเวณใกล้เคียง (ดวงอาทิตย์) กำลังกีดกันโลกอย่างต่อเนื่อง ซึ่งแตกต่างจากนิวตริโนทั่วไปซึ่งมีน้ำหนักเบาและมีปฏิสัมพันธ์ผ่านแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอนิวตริโนที่ผ่านการฆ่าเชื้อนั้นหนักและไม่ได้สัมผัสกับแรงที่อ่อนแอ มันเป็นคุณสมบัติมวลที่หนักและไม่โต้ตอบที่ทำให้นิวตริโนที่ผ่านการฆ่าเชื้อเป็นผู้สมัครที่มีสกัดจากความมืดในอุดมคติ

อีกอนุภาคสสารมืดที่เป็นไปได้คือ Axion ถูกเสนอในปี 1977 เพื่อให้แน่ใจว่าแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งที่ได้รับการรักษาและ antimatter ในฐานรากที่เท่าเทียมกัน (เช่นเห็นด้วยกับการสังเกต) Axion เป็นอนุภาคที่มีน้ำหนักเบามาก แต่ยังคงมีขนาดใหญ่ เครื่องตรวจจับ Lux ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อศึกษาแกน

แน่นอนว่ามีสมมติฐานที่สร้างสรรค์ยิ่งขึ้นซึ่งแสดงให้เห็นว่าสสารมืดไม่ใช่อนุภาคที่เป็นกลางและไม่โต้ตอบ ท้ายที่สุดแล้วเรื่องธรรมดาก็ค่อนข้างซับซ้อน ในระดับควอนตัมเรามีควาร์กและเลปตันและสี่กองกำลัง ในระดับมหภาคเรามีคุณและฉันและน้ำตาลและดวงดาวและภูเขาไฟและวิธีการต่าง ๆ ที่พวกเขาโต้ตอบ เรื่องธรรมดามีปฏิสัมพันธ์และองค์ประกอบทุกประเภท ทำไมไม่สสารมืด? -7 ข้อเท็จจริงแปลก ๆ เกี่ยวกับควาร์ก-

ภายใต้สมมติฐานนี้สสารมืดอาจมี "ประจุมืด" หรือค่าไฟฟ้าของสสารมืด ในทำนองเดียวกับที่ Dark Matter ไม่ได้สัมผัสกับการชาร์จมืดบางทีเรื่องธรรมดาอาจไม่ได้สัมผัสกับการชาร์จมืด ค่าใช้จ่ายมืดนี้จะโต้ตอบกับโฟตอนมืดหรือฝาแฝดมืดของอนุภาคแสงธรรมดา

และยิ่งกว่าความกล้าหาญมากขึ้นบางทีสสารมืดได้สัมผัสกับพลังมากมายและมีภาคมืดที่ซับซ้อนทั้งหมดด้วยอะตอมมืดและโมเลกุลมืดและอาจจะเป็นชีวิตที่มืดมิด เราสามารถกำหนดข้อ จำกัด ในการโต้ตอบที่มืดที่เป็นไปได้เหล่านี้ ตัวอย่างเช่นเรารู้เพียงพอที่จะแยกแยะดาวฤกษ์มืดและดาวเคราะห์ แต่ดาวเคราะห์น้อยมืดเป็นไปได้ อีกครั้ง Lux เงียบไปกับแนวคิดใหม่เหล่านี้

มันไม่ยุติธรรมที่จะบอกว่าการวัด LUX นำไปสู่วิกฤตการณ์ในวิชาฟิสิกส์และจักรวาลวิทยา แต่แน่นอนว่ามันให้นักวิทยาศาสตร์หยุดชั่วคราวและแนะนำว่าบางทีเราควรลองดูสิ่งที่น่ากลัวนี้อีกครั้ง บางทีความคิดอื่น ๆ จะต้องมีการทบทวนอีกครั้ง ในทางกลับกันนักวิทยาศาสตร์ที่ต้องการดำเนินการตามความคิดของ WIMP ยังคงมีบางสิ่งบางอย่างที่รอคอยในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีที่ก้าวหน้า Lux ใช้ซีนอนเหลวหนึ่งในสาม ใน 10 หรือ 15 ปีนักวิทยาศาสตร์กำลังวางแผนที่จะสร้างเครื่องตรวจจับที่อาจมี 100 ตันให้โอกาสมากขึ้นในการจับการโต้ตอบที่หายาก เหล่านี้เป็นช่วงเวลาที่น่ากลัวที่จะเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่มืดมิด

แต่ในที่สุดเราก็ยังไม่รู้ เราเพิ่งรู้ว่าความสามารถของ Lux นั้นดีพอที่อาจถึงเวลาที่จะขยายความคิดของเรา ในคำพูดของวงดนตรีร็อคบัฟฟาโลสปริงฟิลด์ "มีบางอย่างเกิดขึ้นที่นี่สิ่งที่มันไม่ชัดเจน ... "

ติดตามปัญหาเสียงและการอภิปรายทั้งหมดของผู้เชี่ยวชาญ - และกลายเป็นส่วนหนึ่งของการสนทนา - บนFacebook-TwitterและGoogle+- มุมมองที่แสดงเป็นของผู้เขียนและไม่จำเป็นต้องสะท้อนมุมมองของผู้จัดพิมพ์ บทความฉบับนี้ได้รับการเผยแพร่ครั้งแรกเมื่อวิทยาศาสตร์สด-