Технологиите зад един от най-големите научни пробиви на века – откриването на гравитационни вълни – сега се използват в дългогодишното търсене на тъмна материя.
Има много косвени улики за съществуването на тъмна материя, като плоските криви на въртене на галактиките, пиковете в спектъра на космическото микровълново лъчение и гравитационните лещи. И все пак всички експерименти, които се провеждат по света от десетилетия за директно наблюдение на тъмната материя, не са дали положителни резултати. Следователно не е изненадващо, че се създават много алтернативни теории. Една от тях е тази, която предполага, че тъмната материя може да се състои от облаци от скаларни бозони.
Поколенията на частиците на Стандартния модел. Лилави и зелени са фермионите, червени са бозоните, в жълто е единственият известен скаларен бозон, Хигс бозонът. Кредит: Fermilab
Скаларните бозони? Това изобщо не са хипотетични, тъй като в Стандартния модел (виж по-горе) на елементарните частици и природните сили между тях вече знаем разпределението на фермионите и бозоните. Разликата между двете се формира от техния спин, този на фермионите винаги е нецялочислен, например 1/2 или 3/2, този на бозоните винаги е цяло число, например 0, 1 или 2. Фермионите са например електроните, кварките и неутрино, бозоните са носители на природните сили между фермионите, например фотоните за електромагнитното взаимодействие и глуоните за силното взаимодействие.
Д-р Лили Сън е на лов за бозонни облаци – ключов претендент за тъмната материя. Кредит: Tracey Nearmy/ANU
Бозоните със спин 0 се наричат скаларни бозони и един от тях вече е известен: бозонът на Хигс, открит през 2012 г. Физиците вече знаят, че бозоните на Хигс не могат да образуват тъмната материя, но са възможни и други скаларни бозони. Те не реагират на силно, слабо и електромагнитно взаимодействие, а само на гравитацията. Това ги прави студени и ги кара да се групират в големи облаци поради силата на гравитацията.
Типичен амплитуден спектър, получен с честотни бинове, които са настроени към очакваната ширина на линията на тъмната материя, използвайки модифицираната LPSD техника. Черната линия показва амплитудния спектър. Спектърът на шума е оценен за всеки честотен бин от съседни бинове, за да се получи средната стойност на локалния шум (в синьо) и 95% ниво на доверие (CL, зелено). Пиковете (в червено) над това ниво на доверие се считат за кандидати за сигнали от тъмна материя и са анализирани допълнително. Кредит: DOI: 10.1038 / s41586-021-04031-y
Това звучи хубаво, но може ли да се наблюдава по някакъв начин, лакмусовият тест за всички научни хипотези?
Да, облаците от скаларни бозони също могат да бъдат открити с помощта на гравитационни вълни, когато са в близост до бързо въртящи се черни дупки.
В зависимост от масата, която имат, скаларните бозони могат да се разпаднат на гравитони - хипотетични носители на гравитацията, също бозони със спин 2 - и които могат да генерират гравитационни вълни.
Наскоро два екипа, водени от проф. Хартмут Гроте (Hartmut Grote) от Института за изследване на гравитацията на Кардифския университет, а Ричард Абът (Richard Abott) от LIGO Collaboration преглежда данните, събрани с детекторите LIGO, Virgo и GEO 600, за да види дали може да са наблюдавани сигнали от гравитационни вълни от скаларни бозонни облаци с честоти между 20 и 600 Hz.
Резултатът от това изследване може да се види в графиката по-горе и просто казано това означава, че не са видели нищо.
„Чрез търсене на гравитационни вълни, излъчвани от тези облаци, може да успеем да проследим тези неуловими бозонни частици и вероятно да разбием кода на тъмната материя. Нашите търсения могат също да ни позволят да изключим някои ултралеки бозонни частици, за които нашите теории казват, че може да съществуват, но всъщност да не е така", обяснява д-р Лили Сън (Lilli Sun) от Центъра за гравитационна астрофизика на Австралийския национален университет (ANU).
Концепция на художник за черна дупка. Кредит: НАСА
„Смятаме, че тези черни дупки улавят огромен брой бозонни частици в мощното си гравитационно поле, създавайки облак, който се върти с тях. Този деликатен танц продължава милиони години и продължава да генерира гравитационни вълни, които се движат в космоса“, коментира д-р Лили Сън.
Въз основа на изследването екипът от ANU установи, че в нашата галактика Млечен път няма млади облаци от скаларни бозони и не се срещат стари облаци от скаларни бозони в радиус от 3260 светлинни години от нас. Нулев резултат, който не означава, че облаци със скаларни бозони не съществуват, а че не се срещат близо до нас.
Въпреки че изследователите все още не са открили гравитационни вълни от бозонни облаци, д-р Сън смята, че науката за гравитационните вълни е „отворила врати, които преди това са били заключени за учените“.
Справка:
- All-sky search for gravitational wave emission from scalar boson clouds around spinning black holes in LIGO O3 data. arXiv:2111.15507v1 [astro-ph.HE], arxiv.org/abs/2111.15507
- Sander M. Vermeulen et al, Direct limits for scalar field dark matter from a gravitational-wave detector, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-04031-y
Източници:
Mysterious clouds could offer new clues on dark matter
Australian National University
Gravitational wave scientists set their sights on dark matter
Cardiff University
The Black Cloud, Koberlein
Още по темата
Космос
Учени предлагат нов модел на тъмна материя с тежки съставни частици
Космос
Разбирането на ранната Вселена зависи от оценката на продължителността на живота на неутроните
Животът
Прецизно настроена за живот ли е нашата Вселена?
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари