Вимп, хамелеон, или две дупки в геврека

Безуспешното търсене на тайнствените частици, отговорни за съществуването на тъмната материя и още по-тъмната енергия, досега не се е увенчавало дори с изгледи за успех. Но през изминалата седмица кръгът около тях рязко се стеснил. За това иде реч в две статии, публикувани в сп. Science.

Тъмната енергия за първи път е била „открита“ през 1998 година, когато учените разбрали, че Вселената не просто се разширява, а се разширява с ускорение.

Това означава, че нещо невидимо и по-мощно от гравитацията изтласква рамките на пространство-времето. Оттогава физиците са издигали не една теория, обясняваща природата на тъмната енергия.

Но тази субстанция, както и тъмната материя, никой не е наблюдавал пряко. През 2004 година теоретикът и съавтор на новото изследване – Джъстин Хури (Justin Khoury) от Пенсилванския университет – изказал една от възможните причини, поради която частиците тъмна енергия не са открити досега: те се крият от нас.

По-конкретно учените решили, че тези частици, които те нарекли хамелеони, се отличават по маса, която зависи от плътността на околното вещество.

Така, в пустотата на Космоса, хамелеонът има неголяма маса, но въздейства на голямо разстояние, което позволява на пространството да се разширява.

В лабораторни условия частиците хамелеони, заобиколени от всички страни с материя, ще имат голяма маса, но ще разпространяват своите сили на изключително малко разстояние от себе си. Това би обяснило защо частиците тъмна енергия толкова трудно могат да се „уловят“ в лаборатория.

„Хипотетичното хамелеоново поле е по-слабо в празно пространство, но щом се окаже вътре в обект, притежаващ маса, то става много силно и започва да взаимодейства само с външния слой на голям обект, но не и с вътрешните му части. Привличащо въздействие ще се оказва само на външната обвивка с дебелина нанометър“, пояснява водещият автор на изследването Холгер Мюлер (Holger Müller) от Калифорнийския университет в Бъркли.

За откриването на частиците хамелеони Мюлер и колегите му приспособили построен по-рано атомен интерферометър. Този уред представлява един от най-чувствителните детектори на сили от съществуващите днес, той е използван за установяване на гравитационни аномалии, които биха могли да посочат проблеми с общата теория на относителността на Айнщайн.

В хода на експеримента физиците хвърляли цезиеви атоми върху алуминиева сфера и използвали високочувствителни лазери за измерване на силите, действащи на атомите при тяхното падане. © Holger Muller

Други устройства от подобен род са прекалено големи, за да почувстват действащите на неголямо разстояние хамелеонови сили (макар че те притежават голяма чувствителност), а уредът на Мюлер подхождал за тази цел от раз.

Учените предложили да се измери силата, предизвикана от хамелеоновите полета между атомите и обект с по-голяма маса. Изследването на два обекта с голяма маса не би дало резултат.

В хода на експеримента физиците „хвърляли“ цезиеви атоми върху алуминиева сфера с диаметър един дюйм (2,5 сантиметра) и използвали високочувствителни лазери за измерване на силите, действащи върху атомите при свободното им падане, което отнело около 10-20 милисекунди.

Не била открита никаква сила освен земната гравитация. Това най-малкото означава, според учените, че силата, индуцирана от хамелеоновите полета, не може да е по-мощна, отколкото милион пъти по-малко от гравитацията на нашата планета. А това значи, че диапазонът на възможни нива на енергия на частиците тъмна енергия съществено се стеснява.

Да добавим, че експериментите в ЦЕРН в Женева и в Националната ускорителна лаборатория „Енрико Ферми“ в Илинойс, както и на други групи учени, използващи неутронни интерферометри, търсят доказателства за съществуването на хамелеони, но все още не са открили нищо заслужаващо вниманието на научната общественост.

Мюлер и екипът му сега работят над оптимизацията на своя експеримент. Тяхната цел е по метода на изключване да изчислят нивото на енергия на хамелеоните и да се опитат да ги открият пряко.

В момента сме изключили възможността, че хамелеоните взаимодействат с обичайната материя по-силно от гравитацията. Но планираме да мащабираме нашия експеримент до такава степен, че тези частици да започнат да взаимодействат с материята по същия начин, както силата на тежестта“, разказва д-р Хури.

Според учените в най-лошия случай те ще успеят да докажат, че тъмната енергия всъщност не съществува. Но и това ще бъде голям пробив в областта на физиката и космологията.

Статията с резултатите от изследването е публикувана в сп. Science.

Ни камък връз камък от вимповете

Колкото до тъмната материя, както е известно, днес за едни от частиците, които я съставят, се смятат вимповете – слабо взаимодействащи масивни частици (weakly interacting massive particles).

Та въпросните частици взаимодействат с „нормалната“ материя само чрез гравитацията, затова остават невидими. Освен това, както се смята, те подобно на неутриното участват в слабото взаимодействие, което всъщност е силно, но има много ограничен радиус на действие, непревишаващ размера на атомното ядро.

Затова вимпът може да издаде своето присъствие само попадайки точно в частицата и предизвиквайки каскада от разлитащи се фотони. Вероятността от такова събитие е изключително малка, но именно него се опитват да уловят в лабораториите, занимаващи се с търсене на тъмната материя.

Един от най-чувствителните в света вимп детектори се намира в Италия в подземната лаборатория Гран Сасо и се нарича XENON100. Той представлява резервоар, пълен с 62 литра свръхчист ксенон, който регистрира всички протичащи в него сцинтилации в опит да ги изолира от вимп сигналите.

През изминалата седмица колаборацията XENON публикува в сп. Science резултатите от последните си наблюдения. Учените така и не открили вимпове, но проведеният от тях анализ значително стеснил района на търсене.

Изследователите са установили нови ограничения за масата на хипотетичните частици, което веднага измело цяла серия предложени по-рано модели.

Освен това са изказали много перспективна хипотеза, обясняваща ежегодните колебания на сцинтилационния фон, свързани – както се смята – с въртенето на Земята около Слънцето. Според учените те се дължат именно на наличието на вимпове.

Тези колебания – „модулационен сигнал“ – са били открити пак в Гран Сасо, но на друг детектор, DAMA/LIBRA, който работи с кристали калиев йодид. В опит да обяснят наличието на модулационен сигнал с влиянието на вимпове, изследователите разработили три модела на такова влияние и всеки то тях бил потвърден от детектора.

Но резултатите, получени на детектора XENON100, който има на порядъци по-висока чувствителност от DAMA/LIBRA, не оставили ни камък връз камък от тези три модела. А модулационният сигнал така и останал без обяснение.

Жалко, наистина, кръгът се стеснява, но какво всъщност има в него?