הנה חמשת המועמדים המובילים ל'חומר אפל'

מאמר זה נכתב במקור על ידיג'והר אשפקמהאוניברסיטת ליברפול, ופורסם במקור על ידיהשיחה.

כאשר אנו מביטים אל היקום - אפילו עם הטלסקופים החזקים ביותר - אנו יכולים לראות רק אחלק מהענייןאנחנו יודעים שחייבים להיות שם. למעשה, על כל גרם של אטומים ביקום, ישנם לפחותפי חמישה יותר חומר בלתי נראהקראו ''. עד כה מדענים לא הצליחו לזהות אותו, למרות שביליתם עשרות שנים בחיפושים.

הסיבה שאנו יודעים שהוא קיים היא בגלל כוח הכבידה של צבירי גלקסיות ותופעות אחרות שאנו רואים. החומר שאנו יכולים לראות בצביר אינו מספיק כדי להחזיק אותו יחד על ידי כוח הכבידה בלבד, כלומר חייב להיות נוכח חומר נוסף בלתי נראה או מעורפל. אבל אין לנו מושג מה זה - זה יכול להיות מורכב מחלקיקים חדשים, אך לא נתגלו.

יֵשׁשחלקיק חומר אפל יכול לתקשר איתו. יש אתכוח חזקשקושר יחד את גרעין האטום; אתכוח חלשהשולט בדעיכה של חלקיקים כגון רדיואקטיביות; anכוח אלקטרומגנטישמתווך את הכוח בין חלקיקים טעונים; ואתכוח כבידההשולט באינטראקציה כבידה. כדי לצפות בחומר בחלל אנחנו צריכים שהוא ייצור אינטראקציה באמצעות הכוח האלקטרומגנטי, שכן זה כרוך בשחרור של אור או קרינה אלקטרומגנטית אחרת שטלסקופ יכול לרשום.

יש כבר לא מעט מועמדים - לכל אחד דרך האינטראקציה המיוחדת שלו. עם זאת, תיאוריות מסוימות נוטות להצליח יותר מאחרות. הנה חמשת המועמדים לחלקיקים שלדעתי יש להם את הסיכוי הטוב ביותר.

1. ה-WIMP

החלקיק מסיבי בעל אינטראקציה חלשה, או 'WIMP', הוא חלקיק היפותטי שנראה מבטיח. זה יהיה שונה לחלוטין מסוג החומר שאנו מכירים וייצור אינטראקציה באמצעות הכוח האלקטרומגנטי, מה שיסביר מדוע הם ברובם בלתי נראים בחלל. בערך 100,000 כאלה יעברו בכל סנטימטר רבוע של כדור הארץ בכל שנייה, תוך אינטראקציה רק ​​באמצעות הכוח החלש וכוח המשיכה עם החומר הסובב.

אם קיימות WIMPs, מודלים מתמטיים מראה שחייבים להיות בערך פי חמישה יותר מאלה מאשר חומר רגיל, מה שעולה בקנה אחד עם שפע החומר האפל שאנו רואים ביקום. זה אומר שאנחנו אמורים להיות מסוגלים לזהות אותם דרך ההתנגשויות שלהם, שכן זה יגרום לרתיעה של החלקיקים הטעונים על פני כדור הארץ,הפקת אור שאנו יכולים לצפות בובניסויים כגוןXENON100.

WIMPs היו נושא למחקר נרחב, במיוחד מעבר ל-מודל סטנדרטי של פיזיקה, שניבא באופן עצמאי שחלקיק כזה חייב להתקיים - צירוף מקרים שזכה לכינוי 'נס WIMP'.

2. האקסיון

אקסוניםהם חלקיקים בעלי מסה נמוכה, הנעים לאט, שאין להם מטען ורק אינטראקציה חלשה עם חומר אחר, מה שמקשה - אך לא בלתי אפשרי - לגלות אותם. רק צירים בעלי מסה ספציפית יוכלו להסביר את הטבע הבלתי נראה של החומר האפל - אם הם קלים יותר או כבדים יותר, נוכל לראות אותם. ואם אקסיות אכן קיימות, הם יוכלו להתפרק לזוג חלקיקי אור (פוטונים), מה שאומר שנוכל לזהות אותם על ידי חיפוש אחר זוגות כאלה. ניסויים הכוללים אתניסוי החומר האפל של אקסיוןכרגע מחפשים אקסונים בצורה זו.

3. המאצ'ו

MAHO מייצג 'אובייקט הילה קומפקטי אסטרופיזי מסיביוהיה אחד המועמדים הראשונים שהוצעו לחומר אפל. עצמים אלה, כולל כוכבי נויטרונים, וגמדים חומים ולבנים, מורכבים מחומר רגיל. אז איך הם יכולים להיות בלתי נראים? הסיבה היא שהם פולטים מעט מאוד אור.

אחת הדרכים לצפות בהם היא על ידי ניטור בהירות של כוכבים רחוקים. כאשר קרני האור מתכופפות כשהן עוברות קרוב לעצם מאסיבי, אור ממקור מרוחק עשוי להיות ממוקד על ידי עצם קרוב יותר כדי לייצר התבהרות פתאומית של העצם המרוחק. אפקט זה, המכונהעדשת כבידה, תלוי כמה חומר, גם רגיל וגם אפל, נמצא בגלקסיה - נוכל להשתמש בו כדי לחשב את כמות החומר האורב מסביב. עם זאת, כעת אנו יודעים שזה לא סבירמספיק עם הגופים האפלים האלהיכול להצטבר כדי להרכיב את הכמות העצומה של החומר האפל שקיים.

4. חלקיק Kaluza-Klein

התורת קלוזה-קלייןבנוי סביב קיומו של 'מימד חמישי' בלתי נראה מכורבל במרחב, בנוסף לשלושת הממדים המרחביים המוכרים לנו (גובה, רוחב, עומק) וזמן. תיאוריה זו, מקשרת לתורת המיתרים, מנבא את קיומו של חלקיק שיכול להיות חלקיק חומר אפל, שתהיה לו אותה מסהכמו 550 עד 650 פרוטונים(אלה מרכיבים את גרעין האטום יחד עם נויטרונים).

סוג זה של חלקיק יכול לקיים אינטראקציה הן באמצעות אלקטרומגנטיות והן באמצעות כוח הכבידה. עם זאת, מכיוון שהוא מכורבל בממד שאיננו יכולים לראות, לא היינו מתבוננים בו רק על ידי הסתכלות בשמים. למרבה המזל, צריך להיות קל לחפש את החלקיק בניסויים כפי שצריךריקבון לחלקיקים שאנו יכולים למדוד– לתוךופוטונים. עם זאת, מאיצי חלקיקים חזקים כמו מאיץ האדרון הגדול עדיין לא זיהו אותו.

5. הגרביטינו

תיאוריות משתלבותו'סופרסימטריה' מנבאים את קיומו של חלקיק הנקרא הgravitatino. סופרסימטריה, שהיא תיאוריה מוצלחת שמסבירה הרבה תצפיות בפיזיקה, קובעת שכל 'חלקיקי בוזון– כמו הפוטון (חלקיק האור) – יש 'שותף-על', הפוטינו, עם תכונה הנקראת 'ספין' (סוג של תנע זוויתי) השונה בחצי מספר שלם. הגרביטינו יהיה שותף-העל של ה'גרביטון' ההיפותטי, הנחשב לתווך את כוח הכבידה. ובדגמים מסוימים של כוח כבידה, שבהם הגרביטינו קל מאוד, זה יכול להסביר חומר אפל.

ג'והר אשפק, דוקטורנט בפנומנולוגיה של מיתרים,אוניברסיטת ליברפול

מאמר זה פורסם במקור על ידיהשיחה. קרא אתמאמר מקורי.