Танц в тъмното, или в търсене на "липсващата Вселена"

[asthfghl]

Казват, че най-трудната за изпълнение музика често е и най-простата. Така е и с науката - наглед просто звучащи въпроси като "от какво е направена Вселената?" и до ден днешен си остават загадка дори за най-великите умове във физиката.

 

Може би обаче това няма да е така още дълго. Тези дни Големият адронен колайдер в ЦЕРН ще бъде отново стартиран след двугодишна програма по поддръжка и надграждане. Когато това стане, силата, с която той ще сблъсква частици в своите тръби, ще бъде двойно по-голяма, отколкото беше по времето, когато бе открит Хигс-бозонът.

Според очакванията и надеждите на учените, това ще увеличи възможността най-накрая да се обясни същността на така наречената "тъмна материя" - онази невидима, но жизненоважна субстанция, която съставя около една четвърт от Вселената.

Това е и основната тема на новата програма по BBC-2, която започва тази седмица.

Тъмната материя попада в полезрението на учените през 1974 г., благодарение на наблюденията на американския астроном Вера Рубин, която забелязва, че звездите, обикалящи около централните свръхмасивни черни дупки в сърцето на своите спирални галактики (като нашата) се движат с една и съща скорост, независимо от отдалечеността им от гравитационния център - което противоречи на всякакви закони на физиката.

Това просто не би трябвало да се случва - и наистина в сходни системи като например нашата Слънчева система не се случва. Тук планетите са впримчени от гравитационното привличане на Слънцето и обикалят около него с различни скорости, като колкото по-отдалечена е планетата, толкова по-бавно обикаля тя. Например на Нептун са му нужни 165 земни години, за да извърши една обиколка. Това се обяснява от законите на Нютон за гравитацията. Само че за свое изумление Вера Рубин установява, че без изключение всяка наблюдавана от нея галактика показва странното свойство всички звезди в нея да обикалят с еднаква скорост около общия си гравитационен център. Това може да означава само едно: те би трябвало да съдържат много повече материя, отколкото ние сме в състояние да засечем. Сякаш невидима решетка (или паяжина) от допълнителен материал "поддържа" видимата материя (звезди, планети, прах, черни дупки), която е "накацала" върху решетката и се върти заедно с нея.

И така, тъмната материя се е правърнала в обобщаващо понятие, с което се означава някакъв вид субстанция (вероятно материя), която би трябвало да присъства сред "обичайната" материя, но която не може да бъде видяна (оттук и "тъмна"). Но какво всъщност представлява тя, засега науката не може да отговори със сигурност.

Това обаче не означава, че по въпроса не се отбелязва известен напредък. Днес се счита, че тъмната материя не би могла да е някакъв вид обичайна материя във формата на разпръснат газ или прах и че "тъмните звезди" са тъмни, просто защото не излъчват собствена светлина - а не защото са изградени от тъмна материя. Общият консенсус е, че тъмната материя е нещо подобно на фундаменталните частици като кварките и глуоните, които съставят атомите на обичайната материя (но и очевидно се различава от тях).

Тези "тъмни" фундаментални частици са обозначени с термина WIMP: слабо взаимодействащи масивни частици. Това понятие, подобно на самото понятие "тъмна материя", по-скоро подсказва как се държат тези хипотетични частици, отколкото да описва какво представляват по същество. "Слабо взаимодействащи" означава, че те не влияят твърде много на обичайната материя (освен чрез гравитацията - която е милиарди пъти по-слаба от останалите основни сили в природата). Всъщност те могат свободно да преминават през обикновената материя, без да бъдат "усетени" от нея. Това ги прави изключително трудни за откриване, предвид това, че всичко, с което в момента разполагаме за засичането им, се основава на използването на обичайната материя.

"Масивни" пък означава просто, че те имат някаква маса. Това няма нищо общо с техния размер. А последното понятие, "частици", е използвано поради липса на по-точно описание на този етап - т.е. има се предвид, че тъмната материя е "нещо" - т.е. вид материя, а не просто нематериална сила.

И така, тъмната материя е някаква форма на фундаментална частица, която има характеристики на WIMP. На теория, тези "вимпове" биха могли да бъдат доста неща, но изследванията, проведени от проф. Карлос Френк от Университета в Дърам, засега донякъде успешно са стеснили диапазона от възможности. Той и колегите му още в началото на своята кариера през 80-те обявяват, че тъмната материя би трябвало да е някакъв вид WIMP частица и че освен това тя вероятно е от "студен" тип, т.е. не излъчва енергия.

По онова време това се е считало за доста противоречиво твърдение, но в последващите години Френк успешно е добавил към хипотезата си и дигитална рамка, като на практика се е занимавал със симулирането на зараждането и развитието на цели вселени по компютърен път. "Всъщност това е доста прост процес", обяснява Френк. "Всичко, от което се нуждаем, е гравитация, както и няколко основни аксиоми".

Най-ключовата сред тези аксиоми е твърдението на Френк, че тъмната материя е от WIMP тип и е "студена". Вселените, които се пръкват в неговата компютърна програма, са много сходни с нашата и предоставят сериозни аргументи в подкрепа на идеята му за студена тъмна материя, тъй като заложените в моделите му аксиоми (плюс гравитацията) водят до тъкмо такива вселени като нашата. И понеже тъмната материя се явява част от симулацията, тя може да бъде направена видима за удобство на изследователя. "Невидимото става видимо. Почти можеш да го докоснеш!", шегува се Френк.

Въпреки това, това "почти" си остава проблем. Фактът, че засега не можем да я докоснем, прави тъмната материя изключително трудна за засичане и измерване. Но все пак, тя би трябвало да е навсякъде и да е фундаментална частица - и ако това е вярно, то сега Големият адронен колайдер на ЦЕРН би трябвало да може да я открие.

И така, какво ще се случи, след като сноповете протони отново полетят в противоположни посоки през 27-километровата тръба? Щом се ускорят почти до скоростта на светлината, те ще бъдат сблъскани челно. От това произтичат две неща. Първо, протоните ще се разпаднат и ще разкрият кварките, глуоните, силовите бозони и останалите фундаментални частици, които съставят атомната материя.

Към момента са известни 17 частици, съставящи Стандартния модел на физиката на елементарните частици - и всяка от тях е била засичана в Колайдера:

Второ, сблъсъците ще произведат други, по-тежки частици. Когато това стане, детекторите в Колайдера ще могат да ги засекат.

Проф. Дейв Чарлтън от Университета в Бирмингам отговаря за работата на един от тези детектори. "Понякога успяваме да произведем много масивни частици. Именно това са частиците, които ще представляват интерес за нашето изследване", казва той. Това е така, защото една от тези свръхмасивни частици би трябвало да отговаря на описанието на тъмната материя.

Всичко казано дотук може и да звучи доста фантастично, да не кажем невероятно - самата идея, че обикновената материя може да произвежда материя, която не можем да видим и усетим с наличните ни средства, но която напълно пасва в наложилия се модел за Големия взрив.

Ако тъмната материя изобщо съществува, тя би трябвало да е била произведена още при Големия взрив, както всичко останало. А за да видим какво всъщност е било произведено при Големия взрив, ще се наложи да пресъздадем същите или поне сходни с онези условия. Към момента единственото място, което поне донякъде да се доближава до възможността да стори това, е Големият адронен колайдер. Колкото по-мощни са сблъсъците в него, толкова повече се доближаваме до температурите и плътността, съществували при Големия взрив. Така че има всички предпоставки да очакваме тъмната материя да бъде произведена в мощни ускорители като този в ЦЕРН.

Още повече, че математическата теория прогнозира, че 17-те съставни частици на Стандартния модел би следвало да си имат съответно 17 двойници. Това е известният във физиката принцип на "суперсиметрията".

Проф. Джон Елис, теоретичен физик от Кингс Колидж в Лондон, който също работи в ЦЕРН, се занимава именно с този въпрос. Той се надява, че някои от тези все още хипотетични суперсиметрични частици ще бъдат засечени много скоро. "Донякъде се надявахме да ги открием при първото пускане на Колайдера, но за жалост това не се случи тогава", признава той.

Елис разказва, че това навежда на мисълта, че суперсиметричните частици трябва да са по-тежки, отколкото първоначално се е смятало, и че се появяват само при по-високи енергии от досега постижимите. Сега при второто пускане на Колайдера, сблъсъците в него ще протичат при двойно по-висока енергия, което дава на учените надеждата, че суперсиметричните частици най-сетне могат да се появят.

"Когато увеличим силата на Колайдера, ще можем да надникнем отвъд сегашния хоризонт и да произведем още по-масивни частици - включително, надявам се, и суперсиметрични - ако въобще съществуват. Да видим дали ще стане така!", казва проф. Елис.

Настъпило е време разделно за теорията на суперсиметрията. Ако тя бъде потвърдена в ЦЕРН, това ще ни позволи да стъпим върху една наистина стабилна основа за по-нататъшното вникване в същността на Вселената. Въпросът за тъмната материя най-накрая ще бъде разрешен, ведно с някои други засега необясними аномалии в Стандартния модел.

Но ако стане като последния път и суперсиметрията не се "разкрие", физиците и астрофизиците ще трябва да се върнат при черната дъска, да грабнат тебеширите и да помислят за други идеи по въпроса от какво всъщност е направена Вселената. "Възможно е", признава проф. Елис, "да се наложи сериозно да се почешем по главите и да започнем всичко отначало".