Kira-kira 80% dari semua perkara dalam kosmos adalah bentuk yang tidak diketahui sepenuhnya oleh fizik semasa. Kita menyebutnya perkara yang gelap, kerana sebaik mungkin kita boleh katakan itu ... gelap. Eksperimen di seluruh dunia sedang berusaha untuk menangkap zarah gelap yang sesat dengan harapan untuk memahaminya, tetapi setakat ini mereka telah muncul kosong.
Baru-baru ini, pasukan ahli teori telah mencadangkan satu cara baru untuk memburu bahan gelap menggunakan "zarah" pelik yang dipanggil magnon, nama yang saya tidak buat. Rempah-rempah kecil ini boleh memikat walaupun zarah gelap gelap yang berpanjangan, bersembunyi, kata para ahli teori itu.
Teka-teki gelap
Kita tahu segala macam perkara tentang perkara gelap, dengan pengecualian yang ketara tentang apa itu.
Walaupun kita tidak dapat mengesannya secara langsung, kita melihat bukti perkara gelap sebaik sahaja kita membuka teleskop kita ke alam semesta yang lebih luas. Wahyu yang pertama, kembali pada tahun 1930-an, datang melalui pemerhatian kelompok-kelompok galaksi, beberapa struktur terbesar di alam semesta. Galaksi-galaksi yang mendiami mereka hanya bergerak terlalu cepat untuk dijadikan bersama sebagai kelompok. Itu kerana jisim kolektif galaksi memberikan gam graviti yang mengekalkan kluster bersama-sama - semakin besar jisim, semakin kuat gam itu. Gam super kuat boleh tahan bersama walaupun galaksi bergerak terpantas. Apa-apa yang lebih cepat dan kumpulan itu hanya akan merobohkan dirinya sendiri.
Tetapi ada kelompok yang ada, dengan galaksi yang berdengung di sekelilingnya jauh lebih cepat daripada yang seharusnya diberikan massa kumpulan. Ada sesuatu yang mempunyai cengkaman graviti yang mencukupi untuk memegang kluster bersama-sama, tetapi sesuatu itu tidak memancarkan atau berinteraksi dengan cahaya.
Misteri ini berterusan tidak dapat diselesaikan dalam beberapa dekad, dan pada tahun 1970an, ahli astronomi Vera Rubin menaikkan ante dengan cara yang besar melalui pemerhatian bintang di dalam galaksi. Sekali lagi, perkara-perkara bergerak terlalu cepat: Memandangkan massa yang diperhatikan mereka, galaksi-galaksi di alam semesta kita sepatutnya telah berputar beberapa belas tahun lalu. Sesuatu telah menahan mereka bersama. Sesuatu yang tidak kelihatan.
Cerita ini mengulangi semua kosmos, baik dalam waktu dan ruang. Dari cahaya pertama dari Big Bang ke struktur terbesar di alam semesta, sesuatu yang funky di luar sana.
Mencari dalam kegelapan
Jadi perkara gelap sangat banyak di sana - kita tidak dapat mencari apa-apa hipotesis berdaya maju untuk menjelaskan tsunami data untuk menyokong kewujudannya. Tetapi apa itu? Tebakan terbaik kami adalah bahawa perkara gelap adalah sejenis zarah yang baru dan eksotik, sehingga kini tidak diketahui fizik. Dalam gambar ini, perkara gelap membanjiri setiap galaksi. Sebenarnya, bahagian galaksi yang terlihat, seperti yang dilihat melalui bintang-bintang dan awan gas dan habuk, hanyalah sebuah set mercusuar kecil melawan pantai yang lebih besar dan lebih gelap. Setiap galaksi terletak dalam "halo" besar yang terdiri daripada zillions atas zillions zarah zarah gelap.
Zarah-zarah perkara gelap ini mengalir melalui bilik anda sekarang. Mereka sedang mengalir melalui anda. Hujan hujan yang tidak pernah berakhir o zarah hal gelap yang tidak kelihatan. Tetapi anda tidak menyedarinya. Mereka tidak berinteraksi dengan cahaya atau dengan zarah yang dikenakan. Anda terbuat dari zarah yang dikenakan dan anda sangat mesra dengan cahaya; anda tidak dapat dilihat dengan perkara gelap dan perkara gelap tidak dapat dilihat oleh anda. Satu-satunya cara kita "melihat" perkara gelap ialah melalui daya graviti; graviti menyedari setiap bentuk materi dan tenaga di alam semesta, gelap atau tidak, jadi pada skala terbesar, kita melihat pengaruh jisim gabungan semua zarah yang tidak terhitung ini. Tetapi di sini di dalam bilik anda? Tiada apa-apa.
Kecuali, kami berharap, terdapat beberapa cara lain bahawa perkara gelap berinteraksi dengan kita perkara normal. Ada kemungkinan bahawa zarah gelap, apa pun keadaannya, juga merasakan kekuatan nuklear yang lemah - yang bertanggungjawab untuk kerosakan radioaktif - membuka sebuah tetingkap baru ke dalam alam tersembunyi ini. Bayangkan membina sebuah pengesan gergasi, hanya jisim yang besar dalam apa jua elemen yang anda gunakan. Zarah zarah gelap mengalir menerusinya, hampir semuanya benar-benar tidak berbahaya. Tetapi kadang-kadang, dengan jarang bergantung kepada model tertentu bahan gelap, zarah lulus berinteraksi dengan salah satu inti atom unsur-unsur dalam pengesan melalui kekuatan nuklear yang lemah, mengetuknya keluar dari tempat dan menjadikan keseluruhan jisim pengesan bergetar.
Masukkan magnon
Persediaan percubaan ini berfungsi hanya jika zarah materi gelap agak berat, memberikannya cukup oomph untuk mengetuk nukleus dalam salah satu interaksi yang jarang berlaku. Tetapi setakat ini, tiada pengesan perkara gelap di seluruh dunia telah melihat sebarang gangguan interaksi, walaupun selepas bertahun-tahun mencari. Oleh kerana percubaan-percubaan telah diulangi, sifat-sifat gelap yang telah diizinkan secara perlahan telah diketepikan. Ini tidak semestinya sesuatu yang buruk; kita tidak tahu apa bahan gelap, jadi semakin kita tahu tentang apa yang tidak, gambaran yang lebih jelas tentang apa yang boleh.
Tetapi kekurangan keputusan boleh sedikit bimbang. Calon yang paling berat untuk masalah gelap akan dikesampingkan, dan sekiranya zarah misteri itu terlalu ringan, ia tidak akan pernah dilihat pada pengesan kerana mereka telah ditubuhkan sekarang. Iaitu, melainkan ada cara lain yang perkara gelap dapat berbicara dengan perkara biasa.
Dalam artikel baru-baru ini yang diterbitkan dalam jurnal online preprint arXiv, ahli fizik terperinci cadangan percubaan yang dicadangkan yang dapat melihat zarah benda gelap dalam tindakan mengubah spin elektron (jika, sebenarnya, perkara gelap boleh melakukannya). Dalam persediaan ini, perkara gelap mungkin berpotensi dikesan, walaupun zarah tersangka sangat ringan. Ia boleh melakukan ini dengan membuat apa yang dipanggil magnon dalam bahan.
Berpura-pura anda mempunyai sebahagian bahan pada suhu sifar mutlak. Semua pusingan - seperti magnet bar kecil kecil - semua elektron dalam perkara itu akan menunjukkan arah yang sama. Apabila anda perlahan-lahan menaikkan suhu, beberapa elektron akan mula bangun, menggoncang dan secara rawak menunjuk putaran mereka ke arah yang bertentangan. Semakin tinggi anda menaikkan suhu, lebih banyak elektron mengalir dibalik - dan masing-masing membalik mengurangkan kekuatan magnet dengan hanya sedikit. Setiap orang yang berputar berputar juga menyebabkan riak kecil dalam tenaga bahan, dan gelangsar tersebut dapat dilihat sebagai quasiparticle, bukan zarah yang benar, tetapi sesuatu yang dapat anda gambarkan dengan matematik dengan cara itu. Quasipartikel ini dikenali sebagai "magnon," mungkin kerana mereka seperti magnet kecil yang kecil dan comel.
Oleh itu, jika anda bermula dengan bahan yang sangat sejuk, dan zarah perkara yang cukup gelap menyerang bahan dan flip beberapa putaran, anda akan memerhatikan magnon. Kerana kepekaan percubaan dan sifat interaksi, persediaan ini dapat mengesan zarah gelap gelap.
Iaitu, jika wujud.
Paul M. Sutter adalah ahli astrofizik di The Ohio State University, tuan rumah Tanya Spaceman dan Radio Angkasa, dan pengarang Tempat Anda di Semesta.
