Макро- и микрокосмос элементарного #1 Тёмная материя
Ещё космос и наука и ещё физика
Темная материя
Физик Дмитрий Казаков об общем энергетическом балансе Вселенной, теории скрытой массы и частицах темной материи / Статья 2012 года
Люди часто говорят о микромире и макромире. Микромир - это мир элементарных частиц, масштабы очень маленькие, и их представить наглядно невозможно. Другая крайность - макромир. Это скопление галактик, Вселенная - совсем другой язык, другие масштабы. Когда говорят о мире элементарных частиц, мы ставим эксперимент, когда говорят о мире галактик, мы делаем наблюдения. Над Галактикой, над Вселенной эксперимент поставить сложно. Тем не менее, информация примерно похожа, мы получаем данные, которые надо как-то осмыслить. ©Далее: продолжение следует...
___
Что такое микромир и макромир? Из чего состоит темная материя? И что такое WIMP? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.
Дмитрий Казаков - доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ОИЯИ.
Темная материя - Дмитрий Казаков
___
- Люди часто говорят о микромире и макромире. Микромир - это мир элементарных частиц, его масштабы очень малы, и их невозможно наглядно представить; но есть и другая крайность - это макромир. Галактики, скопления галактик, Вселенная - совсем другой язык, иные масштабы. Когда говорят о мире элементарных частиц, мы ставим эксперимент. Когда говорят о мире галактик, мы делаем наблюдения, ведь над галактикой и над Вселенной эксперимент поставить сложно. В области астрофизических наблюдений было замечено, что мир состоит не только из того, что доступно для глаза. Мы видим звезды, туманности, межгалактический газ - астрономические объекты. Из этих наблюдений следует, что то, что мы видим, - это, вероятно, не единственное, что существует во Вселенной.
- В астрофизике существует термин WIMP (weakly interactive massive particle) - слабовзаимодействующая массивная частица. Фотино суперсимметричности - типичный WIMP. Предположительно, эти частицы составляют основу темной материи, они образуют гало нашей Галактики. Гало раз в 5 больше видимого размера Галактики, и поэтому эти частицы носятся со скоростью примерно 300 км/c. Мы пытаемся экспериментально обнаружить эти частицы, существуют специальные подземные установки, на которых пытаются WIMP’ы «поймать». Но пока результат отрицательный.
- Когда Эйнштейн строил общую теорию относительности, изначально он хотел построить статическую модель Вселенной, нерасширяющуюся. Он ввел так называемый «лямбда-член», или космологическую постоянную. Потом он от нее хотел отказаться, затем ее снова вводили - это отдельная история. Космологическую постоянную иногда называют энергией вакуума - это и есть темная энергия. Что это такое как физическая субстанция, не совсем понятно. В уравнениях Эйнштейна это космологическая постоянная. Почему она такая маленькая - это остается загадкой для физиков. 73% кажутся очень большой долей во всей энергии Вселенной, но если ее пересчитать в единицы, которыми оперируют в физике частиц, то окажется, что это фантастически маленькая величина, масштаба которой в физике частиц нет. И поэтому некоторое время считалось, что эта величина равна нулю точности. И объяснить, почему она не ноль, а меньшее значение, никто не может. Это одна из главных задач физики частиц и космологии.
7 фактов о невидимой материи и темной энергии / Темная материя
FAQ ©
1. В области астрофизических наблюдений было замечено, что мир, вероятно, состоит не только из того, что мы видим, а видим мы звезды, туманности, межгалактический газ - в общем, астрономические объекты. По вращению звезд вокруг центра Галактики можно определить, какова масса Галактики. Так вот, масса оказывается больше, чем то, что мы видим как светящуюся Галактику (разглядеть можно только то, что испускает свет). Например, Млечный Путь: у него есть определенное количество звезд, которые можно подсчитать из астрономических наблюдений. Приблизительно известно, какова их масса. А еще можно посмотреть, как Солнце вращается вокруг центра Галактики: примерно со скоростью 220 км/с. Если исходить из видимых звезд, то оно должно вращаться медленнее.
2. Было сделано два предположения: либо законы гравитации неверны (в данном случае - закон Ньютона); либо есть какая-то скрытая, невидимая нам масса. Наиболее популярной точкой зрения является теория о скрытой массе, такой, которую мы не видим, потому что она не испускает света. Та материя, которая не испускает свет, была названа темной материей.
_______
/ В.Н.Лукаш, Е.В.Михеева, "Физическая космология", М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010.
3. С другой стороны, есть не просто астрофизика (наблюдения звезд, туманностей, сверхновых), а еще и общие космологические взгляды на Вселенную: кривизна пространства, скорость расширения и т.д. В последние годы достигнут большой прогресс в измерении температурных флуктуаций микроволнового космического излучения, которое пронизывает всю Вселенную и является реликтом Большого взрыва. Из этих космологических наблюдений следует, что, во-первых, кривизна пространства равна нулю, а во-вторых, что видимая материя - звезды, межгалактический газ - составляет всего 4% общего энергетического баланса Вселенной. 24% составляет темная материя. А еще 70 с лишним процентов составляет то, что получило кодовое название «темная энергия».
4. Почему разделяют темную энергию и темную материю? Дело в том, что предположительно темная материя - это обычная материя с обычными уравнениями состояния: давление пропорционально плотности и т.д. А вот то, что называют темной энергией, и то, что ответственно за расширение Вселенной, - это субстанция, которая не подчиняется обычным законам для частиц, для неё давление пропорционально плотности со знаком минус. Такого не бывает в случае обычной материи.
В процессе создания общей теории относительности Эйнштейн сначала хотел построить статическую модель Вселенной и ввел в модель «лямбда-член», или космологическую постоянную. Потом, когда стало известным, что Вселенная расширяется, от космологической постоянной отказались и считалось, что она равна нулю. И вот теперь взгляды опять меняются. Эта космологическая постоянная (иногда ее называют энергией вакуума), возможно, и есть темная энергия. Загадкой для физиков является её происхождение и то, почему она столь мала. Потому что хотя 73% кажутся очень большой долей во всей энергии Вселенной, но если пересчитать космологическую постоянную в единицы, которыми мы оперируем в физике частиц, то это фантастически маленькая величина. Можно было бы ожидать, что космологическая постоянная имеет масштаб порядка масс элементарных частиц, но она на несколько порядков меньше. Объяснения этому факту пока нет.
5. Пока неизвестно, из чего состоит темная материя. Если мы возьмем обычные частицы стандартной модели и скажем: «А не может ли она состоять из этих же частиц?» - ответ будет отрицательный. Поэтому приходится изобретать какие-то новые частицы. Существует довольно много вариантов, но ни один из них экспериментально не подтвержден.
Один из таких вариантов, который сейчас очень популярен, - это предположение, что в мире есть суперсимметрия, она предсказывает новые частицы и, в частности, такую частицу, которая является «партнером» фотона. Фотон - это квант электромагнитного поля, свет. Его «партнер» (эту частицу называют фотино) - кандидат на роль частицы темной материи. Это нейтральная частица, у нее нет электрического заряда, она тяжелая - сто масс протона, может быть, больше - и она участвует в слабом взаимодействии.
6. В астрофизике существует такой термин: ВИМП. (Это аббревиатура, от англ. WIMP, Weakly Interacting Massive Particle - слабовзаимодействующая массивная частица.) Например, фотино - это ВИМП. И вот эти ВИМПы предположительно составляют основу темной материи. Они образуют гало нашей галактики - гало примерно раз в пять больше, чем видимый размер Галактики, и по нему эти частицы носятся со скоростью примерно 300 километров в секунду. Мы пытаемся их экспериментально обнаружить.
7. Есть специальные подземные установки для того, чтобы эти ВИМПы "поймать", но пока результат отрицательный. Если она будет поймана путем взаимодействия с обычной материей, тогда, вероятно, следующим этапом будет попытка получить ее на коллайдерах. Мы пытаемся идентифицировать то, что рождается на коллайдерах, с тем, что мы ловим из космоса в виде частиц этой темной материи. И если эти два пути сойдутся, то мы поймем природу темной материи.
_______
/ Д.С.Горбунов, В.А.Рубаков, "Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего большого взрыва", М.: Издательство ЛКИ, 2008.
© ПостНаука, 12 мая - 16 октября 2012
Темная материя
Физик Дмитрий Казаков об общем энергетическом балансе Вселенной, теории скрытой массы и частицах темной материи / Статья 2012 года
Люди часто говорят о микромире и макромире. Микромир - это мир элементарных частиц, масштабы очень маленькие, и их представить наглядно невозможно. Другая крайность - макромир. Это скопление галактик, Вселенная - совсем другой язык, другие масштабы. Когда говорят о мире элементарных частиц, мы ставим эксперимент, когда говорят о мире галактик, мы делаем наблюдения. Над Галактикой, над Вселенной эксперимент поставить сложно. Тем не менее, информация примерно похожа, мы получаем данные, которые надо как-то осмыслить. ©Далее: продолжение следует...
___
Что такое микромир и макромир? Из чего состоит темная материя? И что такое WIMP? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.
Дмитрий Казаков - доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ОИЯИ.
Темная материя - Дмитрий Казаков
Click to view___
- Люди часто говорят о микромире и макромире. Микромир - это мир элементарных частиц, его масштабы очень малы, и их невозможно наглядно представить; но есть и другая крайность - это макромир. Галактики, скопления галактик, Вселенная - совсем другой язык, иные масштабы. Когда говорят о мире элементарных частиц, мы ставим эксперимент. Когда говорят о мире галактик, мы делаем наблюдения, ведь над галактикой и над Вселенной эксперимент поставить сложно. В области астрофизических наблюдений было замечено, что мир состоит не только из того, что доступно для глаза. Мы видим звезды, туманности, межгалактический газ - астрономические объекты. Из этих наблюдений следует, что то, что мы видим, - это, вероятно, не единственное, что существует во Вселенной.
- В астрофизике существует термин WIMP (weakly interactive massive particle) - слабовзаимодействующая массивная частица. Фотино суперсимметричности - типичный WIMP. Предположительно, эти частицы составляют основу темной материи, они образуют гало нашей Галактики. Гало раз в 5 больше видимого размера Галактики, и поэтому эти частицы носятся со скоростью примерно 300 км/c. Мы пытаемся экспериментально обнаружить эти частицы, существуют специальные подземные установки, на которых пытаются WIMP’ы «поймать». Но пока результат отрицательный.
- Когда Эйнштейн строил общую теорию относительности, изначально он хотел построить статическую модель Вселенной, нерасширяющуюся. Он ввел так называемый «лямбда-член», или космологическую постоянную. Потом он от нее хотел отказаться, затем ее снова вводили - это отдельная история. Космологическую постоянную иногда называют энергией вакуума - это и есть темная энергия. Что это такое как физическая субстанция, не совсем понятно. В уравнениях Эйнштейна это космологическая постоянная. Почему она такая маленькая - это остается загадкой для физиков. 73% кажутся очень большой долей во всей энергии Вселенной, но если ее пересчитать в единицы, которыми оперируют в физике частиц, то окажется, что это фантастически маленькая величина, масштаба которой в физике частиц нет. И поэтому некоторое время считалось, что эта величина равна нулю точности. И объяснить, почему она не ноль, а меньшее значение, никто не может. Это одна из главных задач физики частиц и космологии.
7 фактов о невидимой материи и темной энергии / Темная материя
FAQ ©
1. В области астрофизических наблюдений было замечено, что мир, вероятно, состоит не только из того, что мы видим, а видим мы звезды, туманности, межгалактический газ - в общем, астрономические объекты. По вращению звезд вокруг центра Галактики можно определить, какова масса Галактики. Так вот, масса оказывается больше, чем то, что мы видим как светящуюся Галактику (разглядеть можно только то, что испускает свет). Например, Млечный Путь: у него есть определенное количество звезд, которые можно подсчитать из астрономических наблюдений. Приблизительно известно, какова их масса. А еще можно посмотреть, как Солнце вращается вокруг центра Галактики: примерно со скоростью 220 км/с. Если исходить из видимых звезд, то оно должно вращаться медленнее.
2. Было сделано два предположения: либо законы гравитации неверны (в данном случае - закон Ньютона); либо есть какая-то скрытая, невидимая нам масса. Наиболее популярной точкой зрения является теория о скрытой массе, такой, которую мы не видим, потому что она не испускает света. Та материя, которая не испускает свет, была названа темной материей.
_______
/ В.Н.Лукаш, Е.В.Михеева, "Физическая космология", М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010.
3. С другой стороны, есть не просто астрофизика (наблюдения звезд, туманностей, сверхновых), а еще и общие космологические взгляды на Вселенную: кривизна пространства, скорость расширения и т.д. В последние годы достигнут большой прогресс в измерении температурных флуктуаций микроволнового космического излучения, которое пронизывает всю Вселенную и является реликтом Большого взрыва. Из этих космологических наблюдений следует, что, во-первых, кривизна пространства равна нулю, а во-вторых, что видимая материя - звезды, межгалактический газ - составляет всего 4% общего энергетического баланса Вселенной. 24% составляет темная материя. А еще 70 с лишним процентов составляет то, что получило кодовое название «темная энергия».
4. Почему разделяют темную энергию и темную материю? Дело в том, что предположительно темная материя - это обычная материя с обычными уравнениями состояния: давление пропорционально плотности и т.д. А вот то, что называют темной энергией, и то, что ответственно за расширение Вселенной, - это субстанция, которая не подчиняется обычным законам для частиц, для неё давление пропорционально плотности со знаком минус. Такого не бывает в случае обычной материи.
В процессе создания общей теории относительности Эйнштейн сначала хотел построить статическую модель Вселенной и ввел в модель «лямбда-член», или космологическую постоянную. Потом, когда стало известным, что Вселенная расширяется, от космологической постоянной отказались и считалось, что она равна нулю. И вот теперь взгляды опять меняются. Эта космологическая постоянная (иногда ее называют энергией вакуума), возможно, и есть темная энергия. Загадкой для физиков является её происхождение и то, почему она столь мала. Потому что хотя 73% кажутся очень большой долей во всей энергии Вселенной, но если пересчитать космологическую постоянную в единицы, которыми мы оперируем в физике частиц, то это фантастически маленькая величина. Можно было бы ожидать, что космологическая постоянная имеет масштаб порядка масс элементарных частиц, но она на несколько порядков меньше. Объяснения этому факту пока нет.
5. Пока неизвестно, из чего состоит темная материя. Если мы возьмем обычные частицы стандартной модели и скажем: «А не может ли она состоять из этих же частиц?» - ответ будет отрицательный. Поэтому приходится изобретать какие-то новые частицы. Существует довольно много вариантов, но ни один из них экспериментально не подтвержден.
Один из таких вариантов, который сейчас очень популярен, - это предположение, что в мире есть суперсимметрия, она предсказывает новые частицы и, в частности, такую частицу, которая является «партнером» фотона. Фотон - это квант электромагнитного поля, свет. Его «партнер» (эту частицу называют фотино) - кандидат на роль частицы темной материи. Это нейтральная частица, у нее нет электрического заряда, она тяжелая - сто масс протона, может быть, больше - и она участвует в слабом взаимодействии.
6. В астрофизике существует такой термин: ВИМП. (Это аббревиатура, от англ. WIMP, Weakly Interacting Massive Particle - слабовзаимодействующая массивная частица.) Например, фотино - это ВИМП. И вот эти ВИМПы предположительно составляют основу темной материи. Они образуют гало нашей галактики - гало примерно раз в пять больше, чем видимый размер Галактики, и по нему эти частицы носятся со скоростью примерно 300 километров в секунду. Мы пытаемся их экспериментально обнаружить.
7. Есть специальные подземные установки для того, чтобы эти ВИМПы "поймать", но пока результат отрицательный. Если она будет поймана путем взаимодействия с обычной материей, тогда, вероятно, следующим этапом будет попытка получить ее на коллайдерах. Мы пытаемся идентифицировать то, что рождается на коллайдерах, с тем, что мы ловим из космоса в виде частиц этой темной материи. И если эти два пути сойдутся, то мы поймем природу темной материи.
_______
/ Д.С.Горбунов, В.А.Рубаков, "Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего большого взрыва", М.: Издательство ЛКИ, 2008.
© ПостНаука, 12 мая - 16 октября 2012