Сможет ли Большой адронный коллайдер найти «пропавшую Вселенную»?

21 Марта 2015 в 11:00, Илья Хель 10 016 просмотров 49

CERN

Говорят, что самые тяжелые для исполнения музыкальные партии зачастую являются самыми простыми. То же самое и с наукой: простейшие вопросы вроде «из чего состоит Вселенная?» ставят в тупик самые светлые умы в области физики. Ставили, во всяком случае. На следующей неделе Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе снова заработает после двухлетней программы техобслуживания и модернизации.

Когда это произойдет, энергия столкновения частиц будет в два раза выше, чем в прошлый раз, когда физики обнаружили бозон Хиггса. Предполагается, что увеличенные возможности также, наконец, раскроют сущность «темной материи» — невидимой, но важной составляющей Вселенной, на которую приходится около четверти всей материи.

Темная материя появилась на радарах большинства ученых в 1974 году, благодаря наблюдениям американского астронома Веры Рубин, которая заметила, что звезды, вращающиеся вокруг черных дыр в центрах спиральных галактик вроде нашей, делают это с одной и той же скоростью, независимо от расстояния до центра.

Этого не должно происходить — и не происходит в очевидно сопоставимых системах вроде нашей Солнечной системы, где планеты, захваченные гравитацией Солнца, вращаются тем медленнее, чем дальше находятся. Нептун обращается вокруг Солнца 165 земных лет, когда Земле нужен для этого всего год.

Наше понимание гравитации подсказывает нам, что все должно происходить точно так же.

То, что звезды Веры вращаются с одинаковой скоростью, стало сюрпризом: видимо, там было больше всякого, что обеспечивало гравитацию, чего мы не видели. Темная материя. С тех пор темная материя стала общим термином для вещества (материи), которое должно быть, но которого мы не видим. Только вот до сих пор непонятно, чем эта темная материя должна быть представлена.

Это не означает, что прогресса нет вообще. В настоящее время считается, что темная материя — не просто обычный материал в виде газа, пыли и мертвых звезд, которые просто не светятся. В настоящее время наукой признано, что темная материя — это собрание фундаментальных частиц вроде кварков и глюонов, из которых состоят атомы, известные нам. Но это не точно.

Эти «темные» элементарные частицы известны как вимпы: слабо взаимодейстующие массивные частицы, WIMP. Этот акроним, как и термин «темная материя», сам по себе описывает, как эти теоретические создания темной материи ведут себя. «Слабо взаимодействующие» означает, что у них мало общего с обычной материей. Они пролетают прямо сквозь нее. Это делает их весьма трудными для обнаружения, учитывая, что обычная материя — все, что у нас есть для их обнаружения.

Часть «массивная» означает, что у них есть масса. Что с размерами — непонятно. Осталось только «частица», что понятно, в принципе, хотя определение может быть и лучше. Темная материя — это своего рода элементарные частицы, которые обладают характеристиками вимпов.

В теории эти вимпы могут быть самыми разными вещами, но работа профессора Карлоса Френка из Университета Дарема сузила диапазон поиска этих вещей. Вместе с коллегами Френк еще в начале своей научной карьеры в 1980-х годах заявил, что темная материя должна быть представлена вимпами и должна быть «холодной».

Темная материя

На тот момент это заявление было спорным, но со временем Френк снабдил свою теорию существенным весом в научных кругах.

«Процесс довольно прост. Все, что вам нужно — гравитация и несколько базовых допущений».

Собственно, этими допущениями и были заявления Френка о том, что темная материя состоит из вимпов и является холодной.

Вселенные, которые выросли на его компьютере, оказались неотличимы от нашей и предоставили существенную поддержку идее холодной темной материи. И поскольку темная материя была частью моделирования, ее можно было сделать видимой. Невидимое раскрылось. Ее можно чуть ли не коснуться, восторгался Френк.

Но это «чуть ли» оказалось проблемой. Дело в том, что вы не можете прикоснуться к ней — потому-то и попытки обнаружить ее до сих пор не увенчались успехом. Но темная материя должна быть там, и она может быть представлена элементарными частицами — а по этой части у нас есть мощная машина, которая может обнаружить эти частицы: Большой адронный коллайдер.

Темная материя

Вы знаете, что БАК сталкивает протоны, летящие на околосветовой скорости по 27-километровой трубе в противоположных направлениях. Столкновение приводит к двум последствиям. Во-первых, протоны распадаются, выявляя кварки, глюоны, калибровочные бозоны и другие элементарные частицы атомного вещества. В Стандартной модели есть 17 частиц — и все они были увидены на БАК.

Во-вторых, столкновений может произвести другие, более тяжелые частицы. Когда они образуются, детекторы БАК их улавливают. За одним из таких детекторов стоит профессор Дейв Карлтон из Бирмингемского университета.

«Иногда вы производите более массивные частицы. Их-то мы и ищем».

Дейв — и все остальные в CERN — ищет их, потому что эти частицы могут быть составной частью темной материи. Звучит это маловероятно — как может обычная материя произвести материю, которую невозможно увидеть или обнаружить при помощи обычной материи. Но это имеет смысл с точки зрения бесспорной концепции Большого Взрыва.

Если темная материя существует, она появилась в процессе Большого Взрыва, как и все остальное.

И чтобы увидеть, что могло появиться в процессе Большого Взрыва, нужно воссоздать его условия. Единственное место, где можно их воссоздать, это точка столкновения на БАК. Чем быстрее столкновение, тем ближе оно к температуре Большого Взрыва.

Есть все основания полагать, что темная материя может быть воспроизведена в ускорителях частиц вроде БАК. Более того, существует математическая теория, которая предсказывает, что 17 составляющих Стандартной модели имеют партнеров в виде других 17 частиц. Этот принцип называется «суперсимметрия».

Профессор Джон Эллис, физик-теоретик из Кингс-Колледж в Лондоне, который также работает в CERN, — фанат суперсимметрии, как и многие другие. Он надеется, что некоторые из этих пока сугубо теоретических суперсимметричных частиц появятся на виду в скором времени.

«Мы надеялись, что они выявят себя в первом же запуске БАК. Но этого не произошло», — жалуется он.

Джон Эллис

Джон Эллис

Эллис объясняет, что это означает, что суперсимметричные частицы должны быть тяжелее, чем думали ученые, и появятся только при более высоких энергиях, которые не были доступны до текущего момента.

Во время второго запуска БАК столкновения будут происходить с удвоенной энергией, и профессор Эллис питает надежду, что суперсимметричные частицы наконец появятся. Это важный момент для суперсимметрии. Если она проявит себя на БАК, все будет хорошо. Проблема темной материи разрешится, наряду с другими аномалиями в Стандартной модели физики.

Но если суперсимметрия не появится, как в прошлый раз, физики и астрофизики должны будут искать другие идеи и объяснения того, из чего состоит наша Вселенная. Возможно, им придется начать все заново.

Сможет ли Большой адронный коллайдер найти «пропавшую Вселенную»?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

49 комментариев

  1. Yart

    !

  2. 0.5l

    если не выстрелит в этот раз,
    что мешает построить коллайдер ещё больше?

    • alnazik

      Бабло, на все нужно бабло, они и так 30км бублик построили и потратили туеву хучу денег, если прогорит и это, то х** кто им деньги даст :| (имхо)

    • 3DPascal

      Планируется постройка очень большого андронного коллайдера (VLHC) в 2020-x. Этот коллайдер будет готов к закрытию БАКа в 2035 году. А так если бы не жадность политиков, не их яхты, олимпиады и прочие мелочи, то прогресс пошёл бы ещё быстрее.

  3. trukhin

    Я одного не пойму: если темная материя невидимая, но обладает массой, то в чем проблема её "поймать"?
    Всё, что обладает массой - подчиняется гравитационным законам. И, либо у нас в ядре планеты и внутри солнца полно темной материи, либо её в принципе не существует. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • trukhin

      И еще одна мысль: ученый в статье говорит, что темная материя - холодная. Так может темная материя - это обычная материя, остывшая до абсолютного нуля? Гравитация у нее осталась, а свет она пропускает, т.к. атомы и электроны ведут себя совсем иначе при полной заморозке. При нагреве - темная материя становится обычной. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

      • petruchio

        Ну при охлаждении до полного нуля (почти), что делалось уже в Земных условиях, материя не становилась прозрачной, увы! Тем более, что прозрачность для одного типа излучения ни есть тоже самое для другого.....

        • trukhin

          Вы верно подметили, что охладили "почти" до абсолютного нуля. Это важно, поскольку при полном нуле предполагается качественный переход материи к совершенно иным свойствам. "Электроны упадут на атомы" - шутят некоторые ученые. Шутки шутками, но при таком развитии события мы получим материю с очень большой плотностью и очень малым физическим объемом. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

          • petruchio

            Я не знаю каких вы ученых слушали или читали, но температура вещества не в движении электронов вокруг ядер атомов - увы! И что это за новый такой фазовый переход, что когда вещество достигнет абсолютного нуля? И если уже достигли температуры отличающейся от "0" на тысячные доли градусов, то уже движение атомов, молекул остановлено по факту и ни какого сжатия нет...может вы что то путаете с коллапсом в сингулярность?

  4. Guanzhou

    Получается, что одной из основных задач БАК, является воссоздание большого взрыва, так как за доли секунды до Большого взрыва существовало вещество-сингулярность с абсолютной плотностью, температурой и минимальным объемом. Но, возникает вопрос: "Что, если ученым удастся воссоздать его?", - тогда пресловутая фраза о том, что "физики запускают коллайдер каждые 15 миллиардов лет" станет правдой? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • petruchio

      Ученые хотят найти "страпельки"!

      • Guanzhou

        Почему? Страпельки, ведь, это всего лишь вид гипотетической материи которая в отличии от атомарного состава обычной материи устойчива к спонтанному делению...Одной из целей БАКа - добраться до начала начал, воссоздать близкое к Большому взрыву состояние материи и проанализировать его, но опасность, на мой взгляд, заключается в том, что смоделировав, хоть и в значительно уменьшенном масштабе процессы которые происходили через миллионные доли секунды после Большого взрыва произойдет (может произоти) колоссальный выброс энергии (пусть и в значительно меньшем объеме чем в следствии БВ). (отправлено из приложения Hi-News.ru)

        • petruchio

          Энергии БАКа еще слабы, что бы сильно приблизится с моменту создания Вселенной. И вообще это очень спорный вопрос был ли БВ...??? А вот страпельки, то есть strangelet-killer, являются одним из ключевых элементов исследования на БАК с новой энергией! И про какое спонтанное деление обычной материи вы имеете ввиду?

          • Guanzhou

            Немного неточно выразился, я имел ввиду, что стандартная модель атома это, ведь, система, которая состоит из положительно заряженного ядра (в котором сосредоточена практически вся масса атома) и электронов, двигающихся на большом расстоянии от него, имеет предел существования из-за нестабильности самого ядра (конечно это справедливо для достаточно тяжелых атомов), а "страпельки", согласно последним предположениям, являются устойчивыми к спонтанному делению даже при больших массах и в следствии чего, могут достигать макроскопических или даже астрономических размеров. Хотя, вероятно, превратить вселенную в огромный странглет надеюсь вряд ли получится, так как в космосе (вакууме) нет сколько-нибудь значительного количества материи (частиц), но вот превратить Землю в дрейфующий смертельный странглет, - вполне. Но, конечно, будем верить, что этого не произойдет (: (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

            • petruchio

              Вообще, кварки как элементы теории элементарных частиц вообще мало вероятны. Законченной хромодинамики нет и вероятно не будет. Да ив вообще белыми нитками всё это....цвета, цветные глюоны, силы увеличивающиеся с расстоянием, глюонные трубки, конфайнмент кварков, очарованные, странные...Жесть! Мне бы такую траву!!!

              • Guanzhou

                Вероятно, ЛСД больше подходит на роль психоделика для ученых. Известный факт о том, что двойная спираль ДНК была открыта Фрэнсисом Криком под легким воздействием лизергиновой кислоты о чем он признался на вручении ему Нобелевской премии. Но, это уже совсем другая история (: (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

              • head_56

                А вообще Вы знаете, что послужило поводом для создания гипотезы с "кварками" ведь она родилась не на пустом месте. Может быть расскажете нам... Раз с такой легкостью все отрицаете. :-)

                • petruchio

                  Гипотеза о кварках появилась в связи с результатами некоторых экспериментов, таких как рассеяние высокоэнергетичных электронов на нуклонах и появлением трёх центров рассеяния. Низкочастотный внутренний резонанс нейтрона в статическом магнитном поле и переменном электрическом. Но это всего лишь говорит о неоднородной структуре частиц. Версий о том, что там "внутри" может быть множество!

                  • head_56

                    Ага все таки не на пустом месте... Но обнаружение центров рассеяния это лишь малая доля косвенных доказательств в теории кварков. Слишком много теоретических предсказаний было подтверждено опытами опираясь на кварковую модель нуклонов, их результаты невозможно проигнорировать... Иначе на что же тогда опираться?! А если уж совсем примитивно то вся физика, размерность которой меньше одного ангстрема носит лишь предположительный характер с косвенной доказательной базой....

                    • petruchio

                      Могу сказать, что у теории кварков было как много косвенных подтверждений, так и не меньше "косяков"... Так что это не панацея! Вот пример, если проводить процесс рассеяния на атомах фотонов, то можно получить картину как множественными центрами рассеяния, так и вообще профиль гантели и виртуозных фигур....но это ведь не значит, что атомы состоят из "гантель и утюгов"... А квантовая хромодинамика "кривая вхлам", у неё куча свободных параметров, меняя которые можно что угодно подогнать под результат. А самое печальное, что там также как в ОТО отсутствуют законы сохранения энергии.

                      • head_56

                        Не понял... Вы пишите - " Вот пример, если проводить процесс рассеяния на атомах фотонов...." "АТОМ ФОТОНОВ"- Это, извиняюсь спросить, что за хрень такая....

                        • petruchio

                          На атомах происходит рассеяние фотонов...также как на нуклонах электронов.... Что здесь непонятного?

                          • head_56

                            А у Вас, извините, точно не получится книжки писать, увы.... Излагать свои мысли нужно грамотно!

                            • petruchio

                              Полностью согласен, что мысли нужно излагать правильно.... Когда мысли есть то! А когда детские фантазии, то писать детские книжки в жанре сказки :-)
                              Дерзайте!

                              • head_56

                                Все ясно с Вами сказочник...

                                • petruchio

                                  Если всё ясно, то поясните всем тогда, раз такой догадливый... Или как обычно слабо? Поэт вы наш в стиле баллад и од в околофизической тематики.

                                • head_56

                                  А что уж тут объяснять то! - "Когда мысли есть то! А когда их нет то то!" Это типа пародия на Ваш предыдущий пост.... Вот я и говорю, что мол все с Вами ясно....

                                  • petruchio

                                    Да, действительно очень креативная и смешная пародия на мой предыдущий пост! Смотрю все прям от смеха захлебнулись... пародист вы теперь наш! Какой еще талант у вас есть? Обозначьте ужь....

                                    • head_56

                                      :-) Ну у меня то хоть такой талант есть.... А у Вас какой, извините ?

                                      • petruchio

                                        Спасибо, но быть "спикером" - "Палаты №6" большой гордости и достоинства не добавляет! Так что я как ни будь без таких талантов обойдусь... А если я начну свои таланты перечислять здесь, кстати неуместно, то у вас слов таких в вашем лексиконе не найдется....Поэтому и не буду в ваши детсадовские игры забавляться у кого и что "длиннее"...
                                        А насчет "извините", то это вас общество извинит, а Создатель - простит!

                                        • head_56

                                          :-) Что то подсказывает мне, что Вы действительно из 6_й палаты.....

                                          • petruchio

                                            Только куда мне до "Спикера".... вы уж наш эпистолярный "лидер"!

                                            • head_56

                                              Вы переоцениваете себя! Конечно же не спикер, Вы так..., просто "седелиц"...

                                              • petruchio

                                                Я изначально и сообщал о том, что это вы наш "эпистолярный лидер" и "спикер" - "палаты №6" РКПБ им.Бехтерева и не претендую на такие лавры! Как уж тут себя переоценить, когда вокруг тут одни "гиганты" псевдомыслительной способности! Даже приобщаться не хочу...

                                                • head_56

                                                  К стати, интересно! Вы я смотрю отвергаете все теории а какой же тогда теории относительно природы гравитации придерживаетесь Вы?! Ответьте мне а то я смотрю Вы "господин любезный" горазд только шашками махать....

                                                  • petruchio

                                                    Так и вы изначально не обозначили своего "вероисповедания" относительно физической концепции Мира! Так что, пропускаю вас вперед.....

                                                    • head_56

                                                      Относительно природы гравитации скажу так - Аакадемическая наука на сегодняшний день не может сколь нибудь внятно объяснить это явление, предположение Эйнштейна о деформации "пространства-времени" всего лишь экзотическая гипотеза... (Лично я уверен в том, что не существует, как самостоятельного физического явления, ни пространства ни времени!) Что же касается "классической физики" её законы ни кто и ни когда отменить не сможет!!!
                                                      А по сему, если говорить о "моей концепции" мироздания то она следующая:
                                                      1- Теория всего, если она будет когда нибудь написана, не может противоречить фундаментальным законам физики а напротив она должна её дополнить (вписаться в "дыры")
                                                      2- Природа гравитации основана не на теории поля (какого либо) а всего лишь на поведении элементарных частиц в вакууме который имеет такие физические свойства как например "магнитная проницаемость" и "электропроводность"...
                                                      3-Не могу не признать заслуги квантовой теории в физике математике НО! Считаю что природу и этого явления в первую очередь нужно понять а не усовершенствовать методологию математического объяснения всего...
                                                      И наконец четвертое:
                                                      - К распространенному во все времена термину "константа" я бы добавил оговорку - "в условиях поверхности земли" так как считаю, что они не являются таковыми в масштабах космоса и в глубинах планет....

                                                      Это то, что касается моей "религии"...:-)

                                                      • petruchio

                                                        Замечательная "религия"! Даже в большинстве своем с вами согласен!
                                                        только неясен п.2, где сказано о магнитной проницаемости и электропроводности пространства...?
                                                        И насчет "констант"...они проверялись и в космосе на станциях и в глубинах Земли (посмотрите результаты экспериментов по нейтрино, гравитации..), да еще в отдаленном космосе, путем удачного расчитывания траекторий небесных тел.
                                                        Но если именно касаемо гравитации, то мне более импонирует Релятивистская Теория Гравитации Логунова.

                                                        • head_56

                                                          У меня есть гипотеза над которой я работаю и я не буду говорить о тех константах которые я имел в виду, разумеется я говорил лишь о некоторых. Тех, значение которых, на расстояниях ближнего космоса изменяется в пределах одного знака ... И потом ведь действительно, нет смысла отвергать очевидное! Например постоянство скорости света.... Хоть она и зависит в какой то степени от среды, но фя говорю о её значении в вакууме а следовательно и во вселенной. С этим не поспоришь!
                                                          Просто в "физике явлений" очень многое сложно "разглядеть", например: -
                                                          Ни кто не удивляется, искривлению пространства времени Эйнштейна , все к этому уже давно привыкли как к обыденной, повседневной вещи, НО! Как Вы лично думаете, если это действительно признать как факт, (гипотезу Эйнштейна) тогда, что будет происходить с "пространством -временем" в меж атомарном пространстве элементарного атома водорода ( если принять во внимание модель Бора). Оно тоже будет искривлено пропорционально....?
                                                          Про Логунова почитаю, спасибо...

                                                          • petruchio

                                                            Я вообще не сторонник геометрических теорий гравитации, поскольку они изобилуют отсутствие законов сохранения, что ни есть ГУД! Если же следовать ОТО, то действительно искривление пространства-времени отражается на всех "участниках" в нем находящихся... Поэтому РТГ Логунова, как полевая теория полностью непротиворечива.

                                                            • head_56

                                                              Я читал его, довольно давно и отверг сразу в виду того, что у него речь идет действительно об искре искривлении "пространства-времени" На мой взгляд это невозможно, эти два понятия не имеют физического значения.... Я ориентируюсь на "искривление" свойств одного из них это, как мне кажется более реалистичное предположение нежели "искривлять" мерность пространства или времени....

                                                              • petruchio

                                                                Так вот, ОТО это геометризированная теория с "Чёпными дырами" и сингулярностями, а в РТГ всё как и надо, полевая релятивистская теория и без колдунства...

    • romankozloff

      Aaaaaa бегит отсель, щас рванет БВ (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  5. ruzak

    Может я тупой
    Но я мало что понял, извините)
    Посмотрел картинки (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  6. ruzak

    Блин
    Коммент выше относится к статье про звезды на небе (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  7. vitaly041

    Макс Острогин. Большая красная кнопка. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  8. head_56

    И они опять ничего не найдут кроме еще более разнообразного множества различных частиц с различными массами и временем жизни в доли секунд... :-) Ровно столько раз, сколько они будут сталкивать частицы будет появляться все новый и новый "зоопарк частиц"

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.