MACHO'er er døde. WIMP'er er et no-show. Sig hej til SIMP'er:Ny kandidat til mørkt stof

Den intensive, verdensomspændende søgning efter mørkt stof, den manglende masse i universet, har hidtil ikke fundet en overflod af mørke, massive stjerner eller scads af mærkelige nye svagt interagerende partikler, men en ny kandidat får langsomt tilhængere og observationsstøtte.

Kaldte SIMP'er - stærkt interagerende massive partikler - de blev foreslået for tre år siden af ​​University of California, Berkeley teoretiske fysiker Hitoshi Murayama, professor i fysik og direktør for Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) i Japan, og tidligere UC Berkeley postdoc Yonit Hochberg, nu på hebraisk universitet i Israel.

Murayama siger, at nylige observationer af en galaktisk ophobning i nærheden kunne være bevis på eksistensen af ​​SIMP'er, og han forudser, at fremtidige partikelfysiske eksperimenter vil opdage et af dem.

Murayama diskuterede sine seneste teoretiske ideer om SIMP'er og hvordan de kolliderende galakser understøtter teorien i en indbudt tale 4. december på det 29. Texas Symposium om relativistisk astrofysik i Cape Town, Sydafrika.

Astronomer har beregnet, at mørkt stof, mens usynlig, udgør omkring 85 procent af universets masse. Det mest solide bevis for dens eksistens er stjernernes bevægelse inde i galakser:Uden en usynlig klat af mørkt stof, galakser flyver fra hinanden. I nogle galakser, de synlige stjerner er så sjældne, at mørkt stof udgør 99,9 procent af galaksen.

Teoretikere troede først, at dette usynlige stof bare var normalt stof for svagt til at se:mislykkede stjerner kaldet brune dværge, udbrændte stjerner eller sorte huller. Alligevel undgik såkaldte massive kompakte glorieobjekter - MACHO'er - opdagelse, og tidligere på året udelukkede en undersøgelse af Andromeda -galaksen ved Subaru -teleskopet stort set enhver betydelig uopdaget population af sorte huller. Forskerne ledte efter sorte huller tilbage fra det meget tidlige univers, såkaldte ur-sorte huller, ved at kigge efter pludselige lysninger, der produceres, når de passerer foran baggrundsstjerner og fungerer som en svag linse. De fandt præcis en - for få til at bidrage betydeligt til galaksen.

"Den undersøgelse eliminerede stort set muligheden for MACHO'er; jeg vil sige, at den stort set er væk, "Sagde Murayama.

WIMP'er - svagt interagerende massive partikler - har ikke klaret sig bedre, på trods af at have været fokus for forskernes opmærksomhed i flere årtier. De bør være relativt store - omkring 100 gange tungere end protonen - og interagere så sjældent med hinanden, at de betegnes som "svagt" interagerende. Man mente, at de interagerer hyppigere med normalt stof gennem tyngdekraften, hjælper med at tiltrække normalt stof til klumper, der vokser til galakser og til sidst gyder stjerner.

SIMP'er interagerer med sig selv, men ikke andre

SIMP'er, ligesom WIMP'er og MACHO'er, teoretisk set ville have været produceret i store mængder tidligt i universets historie og siden er afkølet til den gennemsnitlige kosmiske temperatur. Men i modsætning til WIMP'er, SIMP'er er teoretiseret til at interagere stærkt med sig selv via tyngdekraften, men meget svagt med normalt stof. En mulighed foreslået af Murayama er, at en SIMP er en ny kombination af kvarker, som er de grundlæggende komponenter i partikler som proton og neutron, kaldet baryoner. Mens protoner og neutroner består af tre kvarker, en SIMP ville mere lig en pion indeholde kun to:en kvark og en antikværk.

SIMP'en ville være mindre end en WIMP, med en størrelse eller et tværsnit som en atomkerne, hvilket indebærer, at der er flere af dem, end der ville være WIMP'er. Større tal ville betyde, at på trods af deres svage interaktion med normalt stof - primært ved at sprede det af, i modsætning til at fusionere med eller forfalde til normalt stof - de ville stadig efterlade et fingeraftryk på normalt stof, Sagde Murayama.

Han ser sådan et fingeraftryk i fire kolliderende galakser inden for Abell 3827 -klyngen, hvor, overraskende, det mørke stof ser ud til at ligge bag det synlige stof. Dette kunne forklares, han sagde, ved interaktioner mellem det mørke stof i hver galakse, der bremser fusionen af ​​mørkt stof, men ikke det normale stofs, dybest set stjerner.

"En måde at forstå, hvorfor det mørke stof halter bag lyset, er, at partiklerne af det mørke stof faktisk har en endelig størrelse, de spredes mod hinanden, så når de vil bevæge sig mod resten af ​​systemet, bliver de skubbet tilbage, "Sagde Murayama." Dette ville forklare observationen. Det er den slags ting, der forudsiges af, at min teori om mørkt stof er en bunden tilstand af nye slags kvarker. "

SIMP'er overvinder også en stor fejl i WIMP -teorien:evnen til at forklare fordelingen af ​​mørkt stof i små galakser.

"Der har været dette mangeårige puslespil:Hvis du ser på dværggalakser, som er meget små med ret få stjerner, de er virkelig domineret af mørkt stof. Og hvis du gennemgår numeriske simuleringer af, hvordan mørkt stof klumper sammen, de forudsiger altid, at der er en enorm koncentration mod midten. Et snuptag, "Sagde Murayama." Men observationer synes at tyde på, at koncentrationen er fladere:en kerne i stedet for en knude. Kerne/cusp -problemet er blevet betragtet som et af de store problemer med mørkt stof, der ikke interagerer andet end ved tyngdekraften. Men hvis mørkt stof har en endelig størrelse, som en SIMP, partiklerne kan 'klinke' og sprede sig, og det ville faktisk flade masseprofilen ud mod midten. Det er endnu et 'bevis' for denne form for teoretisk idé. "

Løbende søgninger efter WIMP'er og aksioner

Jordbaserede eksperimenter med at lede efter SIMP'er er under planlægning, mest ved acceleratorer som Large Hadron Collider på CERN i Genève, hvor fysikere altid leder efter ukendte partikler, der passer til nye forudsigelser. Et andet forsøg med den planlagte International Linear Collider i Japan kunne også bruges til at lede efter SIMP'er.

Mens Murayama og hans kolleger forfiner teorien om SIMP'er og leder efter måder at finde dem på, søgningen efter WIMP'er fortsætter. Eksperimentet med Large Underground Xenon (LUX) i mørkt stof i en underjordisk mine i South Dakota har sat strenge grænser for, hvordan en WIMP kan se ud, og et opgraderet eksperiment kaldet LZ vil skubbe disse grænser yderligere. Daniel McKinsey, en professor i fysik i UC Berkeley, er en af ​​medordførerne for dette eksperiment, arbejder tæt sammen med Lawrence Berkeley National Laboratory, hvor Murayama er en fakultets seniorforsker.

Fysikere søger også andre kandidater til mørkt stof, der ikke er WIMP'er. UC Berkeley fakultet er involveret i to forsøg på udkig efter en hypotetisk partikel kaldet en axion, som kan passe til kravene til mørkt stof. The Cosmic Axion Spin-Precession Experiment (CASPEr), ledet af Dmitry Budker, en professor emeritus i fysik, der nu er på University of Mainz i Tyskland, og teoretiker Surjeet Rajendran, en professor i fysik i UC Berkeley, planlægger at lede efter forstyrrelser i atomspin forårsaget af et aksionsfelt. Karl van Bibber, professor i atomteknik, spiller en central rolle i Axion Dark Matter eXperiment - High Frequency (ADMX -HF), som søger at detektere aksioner inde i et mikrobølgehulrum inden for et stærkt magnetfelt, når de konverterer til fotoner.

"Selvfølgelig skal vi ikke opgive at lede efter WIMP'er, "Murayama sagde, "men de eksperimentelle grænser bliver virkelig, virkelig vigtigt. Når du kommer til målingsniveauet, hvor vi vil være i den nærmeste fremtid, selv neutrinoer ender med at være baggrunden for forsøget, hvilket er ufatteligt. "

Neutrinoer interagerer så sjældent med normalt stof, at anslået 100 billioner flyver gennem vores kroppe hvert sekund uden at vi bemærker, noget, der gør dem ekstremt svære at opdage.

"Fællesskabets konsensus er sådan, vi ved ikke, hvor langt vi skal gå, men i det mindste skal vi ned på dette niveau, "tilføjede han." Men fordi der absolut ikke er tegn på, at WIMP'er dukker op, folk begynder at tænke bredere i disse dage. Lad os stoppe op og tænke over det igen. "