Черните фотони – това ли e тайната пета сила във Вселената?

Физиците са на лов за невидимата ръка, която оформя Вселената и галактиките в нея. Сега те са обърнали погледа си към „тъмната страна“ на нещата. По-специално един екип гледа зад всяка „космическа скала“ за така наречените тъмни фотони, които биха могли да предават неизвестна досега сила на природата.

Тези фотони биха опосредствали взаимодействието между цялата нормална материя и невидимата страна, наречена тъмна материя. Учените отдавна са разбрали, че в природата властват четири известни сили, така че как друга сила може да се е скрила толкова дълго? Тези четири известни сили съставляват крайъгълния камък на нашето ежедневие: тираничната, но краткотрайна и много силна ядрена сила, която свързва атомните ядра заедно; неясната и безшумна слаба ядрена сила, която контролира радиоактивния разпад и взаимодейства със субатомните частици, наречени неутрино; смелата и ярка електромагнитна сила, която доминира в живота; и фината гравитационна сила, далеч най-слабата от квартета.

Използвайки тези четири основни сили, физиците са в състояние да нарисуват портрет на субатомните и макроскопични светове. Няма взаимодействие, което да не включва една от тези четири сили. И все пак мистерии все още изобилстват по отношение на взаимодействията във Вселената, особено при най-големите й мащаби. Когато намаляваме мащаба до галактиката и отвъд нея, възниква нещо невидимо и неопределено, което учените наричат тъмна материя.

Дали тъмната материя е проста и неподправена, или крие множество от неизвестни досега сили?

Сега международен екип от физици са използвали хранилището за данни от Големия адронен колайдер – най-големият уред за разбиване на атоми в света и са описали своята работа в онлайн списанието arXiv. Засега търсенето им се оказва напразно – което е отчасти добра новина. Това означава, че познатите ни закони на физиката все още действат и са валидни. Но от друга страна все още не може да бъде обяснена тъмната материя.

Тъмната материя е хипотетична форма на материята, за която се твърди, че представлява около 80% от общата маса на Вселената. Всъщност не знаем какво създава всички тези невидими неща и откъде идват те, но знаем, че съществуват, а най-голямото доказателство за това е гравитацията. Проучвайки движенията на звездите в галактиките и галактическите клъстери, заедно с еволюцията на най-големите структури в Космоса, астрономите почти универсално стигат до извода, че има нещо повече от това, което се вижда.

По-добро име за тъмната материя може да е невидима материя. Въпреки че можем да заключим за присъствието й от влиянието й върху гравитацията, тъмната материя просто не взаимодейства със светлината. Ние знаем това, защото ако тъмната материя взаимодействаше със светлината (или поне, ако тя взаимодействаше със светлината по начина, по който го прави познатата материята), досега щяхме да видим мистериозната субстанция. Но доколкото може да се каже, тъмната материя не поглъща светлина, не отразява светлина, не пречупва светлина, не разсейва светлина и не излъчва светлина. За тъмната материя светлината най-вероятно дори не съществува.

И така има голяма вероятност легиони от тъмни частици да се движат през тялото ви в момента. Комбинираната маса на този безкраен поток може да оформи съдбите на галактиките чрез гравитационно влияние, но тя преминава през нормална материя, без никакво въздействие.

Тъй като не се знае от какво е изградена тъмната материя, сега учените са свободни да съставят всякакви сценарии, както обикновени, така и фантастични. Най-простата картина на тъмната материя казва, че тя е голяма и основна във Вселената. Да, тя съставлява огромното мнозинство от масата на Вселената, но в същото време се състои само от една, много мощна частица, която не прави нищо друго, освен да има маса. Това означава, че тъмната материя може да се представи че я има чрез гравитацията, но никога не взаимодейства чрез никоя от другите сили. Никога няма да забележим тъмна материя, правейки нещо друго.

Когато теоретиците се отегчават, те подготвят идеи за това какво може да бъде тъмната материя и по-важното – как може да бъде открита. Следващото ниво нагоре по скалата на интересните теории за тъмната материя казва, че веществото може понякога да взаимодейства с нормална материя чрез слабата ядрена сила. Тази идея мотивира експериментите и детекторите за откриване на тъмна материя по целия свят днес.

Но въпреки това този сценарий предполага, че все още има само четири сили на природата. Ако тъмната материя обаче, е съставена от невиждана досега частица, тогава е напълно разумно да се предположи, че тя е „опакована“ с неизвестна досега сила на природата – или може би с две, кой знае ? Тази потенциална сила или две, може да позволява на тъмната материя да взаимодеиства само с тъмна материя, или може да преплете тъмната материя и тъмната енергия (която ние също не разбираме), или може да отвори нов комуникационен канал между нормалния и тъмния сектор на нашата Вселена.

Един предложен комуникационен портал между светлата и тъмната страна е нещо, наречено тъмен фотон, аналогичен на познатия (светлия) фотон на електромагнитната сила. Ние не можем да видим или вкусим или помиришем тъмните фотони директно, но те могат да се смесват с нашия свят. При този сценарий тъмната материя излъчва тъмни фотони, които са сравнително масивни частици. Това означава, че те имат ефект само в малък диапазон, за разлика от техните светлинни колеги. Но понякога тъмен фотон може да взаимодейства с обикновен фотон, променяйки неговата енергия и траектория.

Това би било много рядко събитие; иначе отдавна щяхме да забележим нещо странно с електромагнетизма.
Така че, дори и при тъмни фотони, ние не бихме могли да видим тъмната материя директно, но бихме могли да усетим съществуването на тъмните фотони, като изследваме електромагнитните взаимодействия. В малка част от тези взаимодействия, тъмен фотон може да „открадне“ енергия от обикновен фотон, взаимодействайки с него.

В статията за arXiv, физиците съобщават резултатите си, след като изследват тригодишните данни от Super Proton Synchrotron, вторият най-голям ускорител на частици в CERN. За този експеримент учените разбиват протоните в субатомен еквивалент на тухлена стена и разглеждат всички „парчета“ в последствие.

В останките изследователите са открили електрони , при това много. В продължение на три години учените са преброили над 20 милиарда електрона с енергия над 100 GeV. Тъй като електроните са заредени частици и обичат да взаимодействат помежду си, високоенергийните електрони в този експеримент също пораждат и много фотони. Ако съществуват тъмни фотони, тогава те понякога трябва да си взаимодействат и да откраднат енергия от един от обикновените фотони, явление, което би се показало в експеримента като липса на светлина.

Това търсене на тъмни фотони не даде резултат – всички нормални фотони присъстват и бяха отчетени – но това не изключва изцяло съществуването на тъмни фотони. Вместо това, този резултат поставя ограничения върху допустимите свойства на тези частици. Ако те съществуват, биха били с ниска енергия (по-малко от GeV, базирани на резултатите от експеримента) и биха били рядко взаимодействащи с редовни фотони.

Търсенето на тъмни фотони обаче продължава, като бъдещи експерименти предстоят и те ще са поставени още повече на предположението за съществуването на тези частици в субатомния свят.