Qora materiya nima? qorong'u moddalar nazariyasi

2024 Muallif: Henry Conors | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-02-12 14:23

Qaysi biri birinchi keldi: tuxummi yoki tovuqmi? Butun dunyo olimlari o'nlab yillar davomida bu oddiy savol bilan kurashib kelishdi. Shunga o'xshash savol koinotning yaratilishining boshida nima bo'lganligi haqida tug'iladi. Ammo bu yaratilishmi yoki koinotlar tsiklikmi yoki cheksizmi? Kosmosdagi qora materiya nima va u oq materiyadan qanday farq qiladi? Dinning turli turlarini chetga surib, keling, bu savollarga javoblarga ilmiy nuqtai nazardan yondashishga harakat qilaylik. So'nggi bir necha yil ichida olimlar aql bovar qilmaydigan narsalarni qilishga muvaffaq bo'lishdi. Ehtimol, tarixda birinchi marta nazariy fiziklarning hisob-kitoblari eksperimental fiziklarning hisob-kitoblari bilan kelishilgan. Yillar davomida ilmiy jamoatchilikka bir nechta turli nazariyalar taqdim etildi. Ko'proq yoki kamroq aniqroq, empirik usullarda, ba'zan esa ilmiy jihatdan, nazariy hisoblangan ma'lumotlar tajribalar bilan tasdiqlangan, ba'zilari hatto o'n yildan ortiq kechikish bilan ham (masalan, Xiggs bozoni).

Qorong'u materiya - qora energiya

Bunday nazariyalar koʻp, masalan: String nazariyasi, Katta portlash nazariyasi, siklik olam nazariyasi, Parallel olam nazariyasi, modifikatsiyalangan Nyuton dinamikasi (MOND), F. Xoyl va boshqalar. Biroq, hozirgi vaqtda doimiy ravishda kengayib borayotgan va rivojlanayotgan koinot nazariyasi umumiy qabul qilingan deb hisoblanadi, uning tezislari Katta portlash kontseptsiyasi doirasida juda mos keladi. Shu bilan birga, kvazi-empirik (ya'ni, empirik, lekin katta bardoshlik bilan va mikrokosmos tuzilishining mavjud zamonaviy nazariyalari asosida) bizga ma'lum bo'lgan barcha mikrozarralar umumiy hajmining atigi 4,02% ni tashkil etishi haqida ma'lumotlar olindi. koinotning butun tarkibi. Bu "baryon kokteyli" yoki barion materiya deb ataladigan narsa. Biroq, bizning koinotimizning asosiy qismi (95% dan ortig'i) boshqa reja, turli xil tarkib va xususiyatlarga ega moddalardir. Bu qora materiya va qora energiya deb ataladigan narsa. Ular boshqacha yo'l tutishadi: ular turli xil reaktsiyalarga boshqacha munosabatda bo'lishadi, mavjud texnik vositalar bilan o'rnatilmaydi va ilgari o'rganilmagan xususiyatlarni namoyish etadilar. Bundan xulosa qilishimiz mumkinki, yo bu moddalar fizikaning boshqa qonunlariga (Nyutonlik bo'lmagan fizika, evklid bo'lmagan geometriyaning og'zaki analogi) bo'ysunadi yoki fan va texnikaning rivojlanish darajasi faqat shakllanishning dastlabki bosqichida.

Barionlar nima?

Kuchli oʻzaro taʼsirlarning hozirgi kvark-glyuon modeliga koʻra, bor-yoʻgʻi oʻn oltita elementar zarracha mavjud (yaqinda Xiggs bozonining kashfiyoti ham buni tasdiqlaydi): kvarklarning olti turi (tatlari), sakkizta glyuon va ikkita bozon. Barionlar kuchli o'zaro ta'sirga ega bo'lgan og'ir elementar zarralardir. Ulardan eng mashhurlari kvarklar, proton va neytronlardir. Bunday moddalarning oilalari bir-biridan farq qiladispin, massalar, ularning "rangi", shuningdek, "afsungarlik", "g'aroyiblik" raqamlari biz barion materiya deb ataydigan narsaning qurilish bloklaridir. Olamning umumiy tarkibining 21,8% ni tashkil etuvchi qora (qorong'u) materiya elektromagnit nurlanishni chiqarmaydigan va u bilan hech qanday reaksiyaga kirishmaydigan boshqa zarralardan iborat. Shuning uchun, hech bo'lmaganda, to'g'ridan-to'g'ri kuzatish uchun va undan ham ko'proq bunday moddalarni ro'yxatga olish uchun avvalo ularning fizikasini tushunish va ular bo'ysunadigan qonunlarni kelishish kerak. Ayni paytda ko‘plab zamonaviy olimlar buni butun dunyo bo‘ylab tadqiqot institutlarida qilishmoqda.

Eng ehtimoliy variant

Qaysi moddalar mumkin deb hisoblanadi? Boshlash uchun shuni ta'kidlash kerakki, faqat ikkita mumkin bo'lgan variant mavjud. GR va SRT (Umumiy va maxsus nisbiylik) ga ko'ra, tarkibi jihatidan bu modda ham barion, ham barion bo'lmagan qorong'u materiya (qora) bo'lishi mumkin. Katta portlashning asosiy nazariyasiga ko'ra, har qanday mavjud materiya barionlar shaklida ifodalanadi. Ushbu tezis juda yuqori aniqlik bilan isbotlangan. Hozirgi vaqtda olimlar singulyarlik yorilishidan bir daqiqa o'tgach, ya'ni materiyaning o'ta zich holati portlashidan keyin hosil bo'lgan zarralarni tortib olishni o'rgandilar, bunda tana massasi cheksizlikka, tana o'lchamlari esa nolga moyil bo'ladi. Barion zarralari bilan stsenariy eng ehtimolli, chunki bizning koinotimiz ulardan iborat va ular orqali kengayishi davom etmoqda. qora materiya,bu taxminga ko'ra, u Nyuton fizikasi tomonidan umumiy qabul qilingan, lekin negadir elektromagnit yo'l bilan zaif o'zaro ta'sir qiluvchi asosiy zarralardan iborat. Shuning uchun detektorlar ularni aniqlamaydi.

Unchalik muammosiz kechmayapti

Bu stsenariy koʻplab olimlarga toʻgʻri keladi, ammo javoblardan koʻra savollar koʻp. Agar qora va oq materiya faqat barionlar bilan ifodalangan bo'lsa, u holda birlamchi nukleosintez natijasida engil barionlarning og'irlarga nisbatan kontsentratsiyasi koinotning dastlabki astronomik ob'ektlarida har xil bo'lishi kerak. Va eksperimental ravishda, bizning galaktikamizda qora tuynuklar yoki neytron yulduzlari kabi muvozanatli etarli miqdordagi katta tortishish ob'ektlari mavjudligi Somon yo'lining halo massasini muvozanatlash uchun aniqlanmagan. Biroq, bir xil neytron yulduzlari, qorong'u galaktik halolar, qora tuynuklar, oq, qora va jigarrang mittilar (hayot tsiklining turli bosqichlarida joylashgan yulduzlar), ehtimol, qorong'u materiyaning bir qismidir. Qora energiya, shuningdek, preon, kvark va Q yulduzlari kabi bashorat qilingan taxminiy ob'ektlarni ham to'ldirishi mumkin.

Barion boʻlmagan nomzodlar

Ikkinchi stsenariy nobarion kelib chiqishini nazarda tutadi. Bu erda bir nechta turdagi zarralar nomzod sifatida harakat qilishi mumkin. Masalan, yorug'lik neytrinolari, mavjudligi olimlar tomonidan allaqachon isbotlangan. Biroq, ularning massasi yuzdan birgachao'n minginchi eV (elektron-Volt), zarur kritik zichlikka erishib bo'lmaydiganligi sababli ularni mumkin bo'lgan zarralardan amalda chiqarib tashlaydi. Ammo og'ir leptonlar bilan bog'langan og'ir neytrinolar amalda oddiy sharoitda zaif o'zaro ta'sirlarda o'zini namoyon qilmaydi. Bunday neytrinolar steril deb ataladi; ularning maksimal massasi eV ning o'ndan biriga qadar bo'lgan holda, ular qorong'u materiya zarralari uchun nomzod bo'lish ehtimoli ko'proq. Kvant xromodinamikasi va standart modeldagi masalalarni yechish uchun fizik tenglamalarga aksionlar va kosmionlar sunʼiy ravishda kiritilgan. Boshqa barqaror supersimmetrik zarracha (SUSY-LSP) bilan birgalikda ular nomzod sifatida munosib bo'lishi mumkin, chunki ular elektromagnit va kuchli o'zaro ta'sirlarda qatnashmaydi. Biroq, neytrinolardan farqli o'laroq, ular hali ham farazdir, ularning mavjudligi hali isbotlanishi kerak.

Qora modda nazariyasi

Koinotda massa yo'qligi bu borada turli nazariyalarni keltirib chiqaradi, ularning ba'zilari juda mos keladi. Masalan, oddiy tortishish yulduzlarning spiral galaktikalarda g'alati va o'ta tez aylanishini tushuntirib bera olmasligi haqidagi nazariya. Bunday tezlikda ular ro'yxatdan o'tishning hali imkoni bo'lmagan qandaydir ushlab turish kuchi bo'lmasa, shunchaki undan uchib ketishardi. Boshqa nazariyalar tezislari WIMPlarni (elementar subzarralarning sheriklari, o'ta simmetrik va o'ta og'ir zarralar - ya'ni ideal nomzodlar) ni olishning iloji yo'qligini tushuntiradi, chunki ular n-o'lchovda yashaydi, bu bizning uch o'lchovimizdan farq qiladi. o'lchovli. Kaluza-Klein nazariyasiga ko'ra, bunday o'lchovlar biz uchun mavjud emas.

Oʻzgaruvchan yulduzlar

Boshqa bir nazariya oʻzgaruvchan yulduzlar va qora materiyaning bir-biri bilan oʻzaro taʼsirini tasvirlaydi. Bunday yulduzning yorqinligi nafaqat ichkarida sodir bo'ladigan metafizik jarayonlar (pulsatsiya, xromosfera faolligi, ko'zga tashlanadigan joy, qo'shaloq yulduz tizimlarida to'kilish va tutilishlar, o'ta yangi yulduzlarning portlashi), balki qorong'u materiyaning anomal xususiyatlari tufayli ham o'zgarishi mumkin.

WARP diski

Bir nazariyaga ko'ra, qorong'u materiyadan gipotetik WARP texnologiyasi (WARP Engine) asosida ishlaydigan kosmik kemalarning pastki kosmik dvigatellari uchun yoqilg'i sifatida foydalanish mumkin. Ehtimol, bunday dvigatellar kemaning yorug'lik tezligidan yuqori tezlikda harakatlanishiga imkon beradi. Nazariy jihatdan, ular kema oldidagi va orqasidagi bo'shliqni egib, uni elektromagnit to'lqin vakuumda tezlashganidan ham tezroq harakatlantirishga qodir. Kemaning o'zi mahalliy darajada tezlashmaydi - faqat uning oldidagi fazoviy maydon egilgan. Koʻpgina fantastik hikoyalarda bu texnologiyadan foydalaniladi, masalan, “Star Trek” dostoni.

Yer usti sharoitida oʻsish

Yerda qora materiya hosil qilish va olishga urinishlar hali muvaffaqiyat qozonmagan. Ayni paytda Xiggs bozoni birinchi qayd etilgan LHCda (Katta Andron Kollayderi) hamda boshqa kamroq kuchli, jumladan chiziqli kollayderlarda tajribalar olib borilmoqda.elementar zarralarning barqaror, ammo elektromagnit jihatdan zaif o'zaro ta'sir qiluvchi sheriklari. Biroq, na fotino, na gravitino, na higsino, na sneutrino (neytralino), na boshqa WIMPlar hali olinmagan. Olimlarning dastlabki ehtiyotkorlik bilan hisob-kitoblariga ko'ra, quruqlik sharoitida bir milligramm qorong'u materiyani olish uchun AQShda yil davomida iste'mol qilinadigan energiya ekvivalenti kerak bo'ladi.