Много ли мы знаем об окружающем нас мире ? Темная материя

Люди часто говорят о микромире и макромире. Микромир — это мир элементарных частиц, масштабы очень маленькие, и их представить наглядно невозможно. Другая крайность — макромир. Это скопление галактик, Вселенная — совсем другой язык, другие масштабы. Когда говорят о мире элементарных частиц, мы ставим эксперимент, когда говорят о мире галактик, мы делаем наблюдения: над Галактикой, над Вселенной эксперимент поставить сложно. Тем не менее, информация примерно похожа: мы получаем данные, которые надо как-то осмыслить.

В области астрофизических наблюдений было замечено, что мир, вероятно, состоит не только из того, что мы видим, а видим мы звезды, туманности, межгалактический газ — в общем, астрономические объекты. По вращению звезд вокруг центра Галактики можно определить, какова масса Галактики. Так вот, масса оказывается больше, чем то, что мы видим как светящуюся Галактику (разглядеть можно только то, что испускает свет). Например, Млечный Путь: у него есть определенное количество звезд, которые можно подсчитать из астрономических наблюдений. Приблизительно известно, какова их масса. А еще можно посмотреть, как Солнце вращается вокруг центра Галактики: примерно со скоростью 220 км/с. Если исходить из видимых звезд, то оно должно вращаться медленнее.

Было сделано два предположения: либо законы гравитации неверны (в данном случае — закон Ньютона); либо есть какая-то скрытая, невидимая нам масса. Наиболее популярной точкой зрения является теория о скрытой массе, такой, которую мы не видим, потому что она не испускает света. Та материя, которая не испускает свет, была названа темной материей.

С другой стороны, есть не просто астрофизика: наблюдения звезд, туманностей, сверхновых, а еще и общие космологические взгляды на Вселенную: кривизна пространства, скорость расширения и т.д. В последние годы достигнут большой прогресс в измерении температурных флуктуаций микроволнового космического излучения, которое пронизывает всю Вселенную и является реликтом Большого взрыва. Из этих космологических наблюдений следует, что , во-первых, кривизна пространства равна нулю, а во-вторых, что видимая материя — звезды, межгалактический газ — составляет всего 4% общего энергетического баланса Вселенной. 24% составляет темная материя. А еще 70 с лишним процентов составляет то, что получило кодовое название «темная энергия».

Почему разделяют темную энергию и темную материю? Дело в том, что предположительно темная материя — это обычная материя с обычными уравнениями состояния: давление пропорционально плотности и т.д. А вот то, что называют темной энергией, и то, что ответственно за расширение Вселенной, это субстанция, которая не подчиняется обычным уравнениям состояния для частиц, для неё давление пропорционально плотности со знаком минус. Такого не бывает в случае обычной материи.

В процесс создания общей теории относительности Эйнштейн сначала хотел построить статическую модель Вселенной. И ввел в модель «лямбда-член», или космологическую постоянную. Потом, когда стало известным, что Вселенная расщиряется, от космологической постоянной отказались и читалось, что она равна нулю. И вот теперь взгляды опять меняются. Эта космологическая постоянная (иногда ее называют энергией вакуума) возможно и есть темная энергия. Загадкой для физиков является её происхождение и то, почему она столь мала. Потому что хотя 73% кажутся очень большой долей во всей энергии Вселенной, но если пересчитать космологическую постоянную в единицы, которыми мы оперируем в физике частиц, то это фантастически маленькая величина. Можно было бы ожидать, что космологическая постоянная имеет масштаб порядка масс элементарных частиц, но она на несколько порядков меньше. Объяснения этому факту пока нет.

Пока неизвестно, из чего состоит темная материя. Если мы возьмем обычные частицы стандартной модели и скажем: «А не может ли она состоять из этих же частиц?» — ответ будет отрицательный. Поэтому приходится изобретать какие-то новые частицы. Существует довольно много вариантов, но ни один из них экспериментально не подтвержден.
Один из таких вариантов, который сейчас очень популярен, — это предположение, что в мире есть суперсимметрия, она предсказывает новые частицы и, в частности, такую частицу, которая является «партнером» фотона. Фотон — это квант электромагнитного поля, свет. Его «партнер» (эту частицу называют фотино) — кандидат на роль частицы темной материи. Это нейтральная частица, у нее нет электрического заряда, она тяжелая — сто масс протона, может быть, больше — и она участвует в слабом взаимодействии.

В электрофизике существует такой термин: ВИМП. (Это аббревиатура, от англ. WIMP, Weakly Interacting Massive Particle — слабовзаимодействующая массивная частица.) Например, фотино — это ВИМП. И вот эти ВИМПы предположительно составляют основу темной материи. Они образуют гало нашей галактики — гало примерно раз в пять больше, чем видимый размер Галактики, и по нему эти частицы носятся со скоростью примерно 300 километров в секунду. Мы пытаемся их экспериментально обнаружить.

Есть специальные подземные установки для того, чтобы эти ВИМПы поймать, но пока результат отрицательный. Если она будет поймана путем взаимодействия с обычной материей, тогда, вероятно, следующим этапом будет попытка получить ее на коллайдерах. Мы пытаемся идентифицировать то, что рождается на коллайдерах, с тем, что мы ловим из космоса в виде частиц этой темной материи. И если эти два пути сойдутся, то мы поймем природу темной материи.

http://postnauka.ru/faq/5451