Astronaujiena. Tamsiosios medžiagos (vėl) nėra

Jau daugiau nei 80 metų praėjo po pirmųjų hipotezių apie tamsiąją materiją iškėlimo. Bet nepaisant daugybės bandymų, kol kas ji lieka tik hipotetiniu dariniu, nors netiesioginių egzistavimo įrodymų – apstu. O praeitą savaitę paskelbti naujo eksperimento duomenys, atrodo, dar pagilina įtarimą, kad tamsioji materija neegzistuoja, bent jau ne tokia, kaip teigia standartinis kosmologijos modelis.

COSINE-100 eksperimente naudojamas detektorius; šio eksperimento duomenys paneigia vieną seniausių tamsiosios materijos aptikimo rezultatų. Šaltinis: COSINE-100 tinklalapis

Pagal šį modelį, vadinamą ΛCDM, tamsioji materija sudaryta iš kažkokių dar neatrastų elementariųjų dalelių. Jos su likusia materija sąveikauja gravitaciškai ir galbūt, labai silpnai, kitomis sąveikomis. Gravitacinė sąveika aptinkama dideliais masteliais – stebint žvaigždžių judėjimą galaktikose, galaktikų judėjimą spiečiuose, galaktikų ir spiečių kuriamą gravitacinio lęšio efektą, didžiausių struktūrų pasiskirstymą Visatoje... Nei vienas alternatyvus modelis negali paaiškinti visų šių stebėjimų rezultatų taip gerai, kaip ΛCDM. Bet aptikti tamsiosios materijos dalelių sąveiką su kitomjs dalelėmis ar atomais kol kas nepavyksta, nors bandymų buvo daug. Visi jie kol kas davė tik vis griežtesnes viršutines ribas – tai yra sąveikos stiprumo vertes, kokių būti negali, nes jei sąveika būtų tokia stipri ar stipresnė, šie eksperimentai tikrai būtų ją užfiksavę.

Visi, išskyrus vieną. Dar prieš dvidešimt metų Italijoje, Gran Sasso nacionalinėje laboratorijoje, įrengtas DAMA eksperimentas aptiko signalą, kurio negalėjo paaiškinti jokiais kitais būdais, kaip tik tamsiosios materijos dalelių sąveika su natrio bei jodo atomais. Šie atomai sudaro natrio jodido kristalus, kurie laikomi izoliuoti nuo aplinkos giliai po žeme, o jų virpesiai fiksuojami labai jautriais detektoriais. Daugelį virpesių galima paaiškinti aplinkos poveikiu arba sąveika su kosminiais spinduliais, bet ne visus. Dar įdomiau tai, kad nepaaiškintas signalas DAMA ir vėliau patobulintame DAMA/LIBRA detektoriuose kinta su metų laikais. Stipriausias jis birželį, o silpniausias – gruodį. Šis rezultatas puikiai atitinka teorines prognozes: jeigu Paukščių Takas turi tamsiosios materijos halą, tai Saulė ir Žemė juda pro jį. Bet skirtingais metų laikais Žemė juda skirtingomis kryptimis Saulės atžvilgiu, todėl jos greitis halo atžvilgiu irgi skiriasi. Birželį greitis didesnis, taigi ir tamsiosios materijos dalelių pralekia daugiau, sukeldamos daugiau virpesių. Gruodį – priešingai.

Kodėl šis rezultatas netapo visuotinai pripažintu tamsiosios materijos egzistavimo įrodymu? Pagrindinė priežastis – jis toks vienintelis. Visi kiti eksperimentai, kai kurie gerokai jautresni už DAMA/LIBRA, neaptiko nei kasmetinio kitimo, nei apskritai jokio nepaaiškinamo signalo. Toks neatitikimas labai keistas ir perša mintį, kad DAMA/LIBRA matomi rezultatai yra kažkokių vietinių reiškinių, o ne tamsiosios medžiagos, poveikis. Bet per du dešimtmečius paaiškinti rezultatų kitaip nepavyko, ir rezultatas laikui bėgant fiksuojamas vis tiksliau ir tvirčiau.

Daugybės tamsiosios materijos paieškų eksperimentų rezultatai. Grafiko horizontaliojoje ašyje atidėta tamsiosios materijos dalelės masė, vertikaliojoje – jos sąveikos su įprasta materija stiprumas, išreiškiamas ploto vienetais. Kreivės yra skirtingų eksperimentų gautos viršutinės ribos – priklausomai nuo masės, sąveika negali būti stipresnė, nei rodo linija, nes kitaip būtų aptikta. Rusvai pažymėti du uždari kontūrai arti viršaus – DAMA/LIBRA rezultatas (vienas kontūras atitinka sąveiką su natrio atomais, kitas – su jodo). Keli kiti uždari kontūrai yra CRESST, CDMS ir CoGENT eksperimentų rezultatai, kurie vėliau, surinkus daugiau duomenų, pranyko. Šaltinis: Cushman ir kt. 2013
Daugybės tamsiosios materijos paieškų eksperimentų rezultatai. Grafiko horizontaliojoje ašyje atidėta tamsiosios materijos dalelės masė, vertikaliojoje – jos sąveikos su įprasta materija stiprumas, išreiškiamas ploto vienetais. Kreivės yra skirtingų eksperimentų gautos viršutinės ribos – priklausomai nuo masės, sąveika negali būti stipresnė, nei rodo linija, nes kitaip būtų aptikta. Rusvai pažymėti du uždari kontūrai arti viršaus – DAMA/LIBRA rezultatas (vienas kontūras atitinka sąveiką su natrio atomais, kitas – su jodo). Keli kiti uždari kontūrai yra CRESST, CDMS ir CoGENT eksperimentų rezultatai, kurie vėliau, surinkus daugiau duomenų, pranyko. Šaltinis: Cushman ir kt. 2013

Vienas galimas skirtumas tarp DAMA/LIBRA ir kitų detektorių yra sąveikai naudojamos medžiagos. Kituose eksperimentuose naudotas skystas ksenonas ir įvairūs kitokie kristalai, o ne natrio jodidas. Taigi natūralu, kad galiausiai buvo sukurtas eksperimentas, tiksliai atkartojantis DAMA/LIBRA konfigūraciją, t.y. naudojantis natrio jodido kristalus. Tiksliau, sukurti buvo net keli, bet kol kas rezultatus duoda tik vienas. Tai – Pietų Korėjoje įrengtas COSINE-100; skaičius žymį detekcijai naudojamo kristalo masę. Nuo 2016 metų rugsėjo jis renka duomenis, o dabar paskelbta pirmų dviejų mėnesių duomenų analizė. Ir joje jokio nepaaiškinamo signalo nerasta. Eksperimentas yra dar jautresnis, nei DAMA/LIBRA, naudoja tokią pačią detektuojančią medžiagą, bet visus kristalo virpesius gali paaiškinti žinomais reiškiniais.

COSINE-100 dviejų mėnesių rezultatas (juodi taškai ir linija) bei jo statistinė paklaida (pilkai ir melsvai užtušuotas regionas). DAMA/LIBRA rezultatai pažymėti raudonais ir mėlynais kontūrais. COSINE-100 duomenys yra jautresni, nei DAMA/LIBRA, bet jokių tamsiosios materijos dalelių sąveikos signalų juose neaptikta. Šaltinis: COSINE-100 collaboration 2018, Nature
COSINE-100 dviejų mėnesių rezultatas (juodi taškai ir linija) bei jo statistinė paklaida (pilkai ir melsvai užtušuotas regionas). DAMA/LIBRA rezultatai pažymėti raudonais ir mėlynais kontūrais. COSINE-100 duomenys yra jautresni, nei DAMA/LIBRA, bet jokių tamsiosios materijos dalelių sąveikos signalų juose neaptikta. Šaltinis: COSINE-100 collaboration 2018, Nature

Aišku, iš dviejų mėnesių duomenų neįmanoma pamatyti kasmetinės signalo moduliacijos. Taigi dabar analizuojama didesnė duomenų imtis, kurioje jau turėtume pamatyti moduliaciją, jei tik ji egzistuoja. Jeigu jos nebus atrasta, greičiausiai teks pripažinti, kad DAMA/LIBRA rezultatai yra ne tamsiosios materijos signalas, o kažkokių neįvertintų vietinių reiškinių poveikis. Anksčiau tokios hipotezės irgi buvo keliamos, bet nei viena iš jų nepaaiškino gaunamų rezultatų, tad laikui bėgant kritika pritilo. COSINE-100 rezultatai ją gali vėl atgaivinti.

Kas iš to? Kuo ilgiau tiesioginės tamsiosios materijos paieškos lieka bevaisės, tuo tvirtėja įtarimas, kad tai nėra geras stebimų astronominių reiškinių paaiškinimas. Kol kas nei viena alternatyva negali visų reiškinių paaiškinti taip gerai, kaip tamsioji materija, tačiau bandymai sukurti alternatyvią teoriją tęsiasi. Galbūt tamsiosios materijos modelis išliks, tačiau pasikeis aiškinimas, iš ko ta materija susideda. O galbūt jį pakeis kas nors visiškai kito. Ir tai gali nutikti visai greitai, per artimiausią dešimtmetį. Nespės žmonės nuskristi iki Marso, o mes gal jau būsime atsisakę tamsiosios materijos teorijos.

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *