VIDEO TRANSCRIPTION
Profesor Krzysztof A. Meissner
Ciemna Materia
Description generated by Skrybot
No description has been generated for this video.
Transcription generated by Skrybot
Witam Państwa. Chciałbym w tym odcinku omówić ciemną materię. To jest temat, który Państwo na pewno znają, wielokrotnie się pojawiał i w ogłoszeniach prasowych, że istnieje pewien nieznany rodzaj materii, który wypełnia nasz wszechświat, którego jest zresztą znacznie więcej niż tego co znamy, czyli gwiazd, galaktyk, gazu międzygalaktycznego. Chciałbym omówić, jakie są obecnie propozycje, czym taka ciemna materia może być. Początek tej całej historii to jest 1933 rok, gdzie Fritz Zwicky, szwajcarski astronom pracujący w Stanach Zjednoczonych, zauważył, że w bardzo wielu galaktykach prędkość gromadach galaktyk, prędkość galaktyk na brzegu, którą można oszacować chociażby z przesunięcia ku czerwieni, że prędkość galaktyk na brzegu jest większa niż by wynikało z oddziaływania tych galaktyk z resztą galaktyk znajdujących się w środku.
Jest to taki dość prosty wzór, który można wyprowadzić, jak powinna spadać prędkość galaktyk w odległości poza tą główną masą, która jest zawarta w gromadzie galaktyk i to wydawało się, że te galaktyki na obrzeżu są zbyt szybkie. I on zaproponował, że istnieje jakaś ciemna materia, coś co nazwał ciemną materią, która wypełnia te galaktyki, nie jest widoczna, ale powoduje tę dodatkową prędkość tych galaktyk na obrzeżu. I to nie zostało specjalnie przyjęte pozytywnie przez społeczność astronomów. Uważano, że to prawdopodobnie się da wyjaśnić w jakiś inny sposób. I w latach 70, na początku lat 70.
Vera Rubin ze swoim zespołem, ona zaobserwowała, że w galaktyce Andromedy, czyli tej największej galaktyce w naszej grupie lokalnej, my zresztą dążymy do galaktyki Andromedy jako nasza mleczna droga i za jakieś 5 miliardów lat stopimy się z galaktyką Andromedy. Ona jest zresztą znacznie większa niż my, tam jest wielka czarna dziura w środku. W każdym razie, ta galaktyka Andromedy jest taką największą galaktyką w naszej grupie lokalnej i ona obserwując gwiazdy w tej galaktyce, zaobserwowała, że również gwiazdy na obrzeżu, ich prędkość jest większa z takiego zliczania masy w środku tejże galaktyki Andromedy.
Czyli z gwiazd widzialnych, co znowu było jak gdyby z wskazówką, że istnieje pewna dodatkowa masa wewnątrz galaktyk, która powoduje, że ta prędkość tych gwiazd na brzegu nie zachowuje się tak, jakbyśmy się spodziewali, gdyby cała masa była w widzialnych obiektach typu gwiazdy i gaz międzygalaktyczny. To również astronomowie nie przyjęli tego jakoś powszechnie, że to jest propozycja, która być może jest prawdziwa, że jest jakaś ciemna materia w galaktykach. Natomiast obecnie mamy jeszcze inne potwierdzenia, mianowicie chociażby obserwacje prędkości gwiazd w naszej galaktyce, bardzo dokładne, w tym naszego Słońca, w obrocie wokół centrum galaktyki. 220 milionów lat zajmuje naszemu Słońcu obieg naszej galaktyki.
Prędkość gazu, głównie wodoru, który się teraz bardzo dobrze mierzy, daleko poza widzialną częścią galaktyk, również wskazuje, że obrót tego gazu jest zbyt szybki w stosunku do tego, co powinno być, gdyby cała masa była umieszczona wewnątrz w widzialnych obiektach galaktyki. Było niedawno bardzo spektakularny obiekt, mianowicie zderzenie dwóch gromat galaktyk, tzw. bullet cluster, czyli gromada pocisk, w którym dwie galaktyki przeszły przez siebie i można było obserwować również wodór przy tym zderzeniu i on zdecydowanie wykraczał poza to, co wynikało z widzialnej części galaktyk, które się zderzyły.
Mianowicie te widzialne części, jak gdyby odczuwały pewne tarcie, oddziaływanie, a ten wodór, który był uniesiony przez tę ciemną materię, już nie miał tego tarcia, więc on przeszedł szybciej, także to jest takie zdjęcie dość spektakularne. Również w obrazie promieniowania tła można pośrednio, ponieważ te fotony, które do nas leciały, im zajęło to 14 miliardów lat, one przeleciały przez cały obserwowalny wszechświat, więc z ich obrazu można wydobyć również stosunek, pośrednio, stosunek widzialnej materii do ciemnej materii, do ciemnej energii, o której poświęcę w ogóle osobny odcinek i wychodzi z tego, że tej ciemnej energii jest prawie 67%, więc zdominowani jesteśmy nawet nie przez ciemną materię, tylko przez ciemną energię, która nie do końca wiadomo czym jest.
Jest mniej więcej 28% ciemnej materii, która nie wiemy czym jest, ale jest materią, czyli jest jakimś rodzajem wolnych cząstek i tylko 5% materii, którą znamy, czyli protony, neutrony, czyli gwiazdy, galaktyki, gromady galaktyk. I nadal nie wiadomo co tworzy ciemną materię, jak już było potwierdzone, że ona istnieje. Oczywiście to było pytanie do teorii cząstek elementarnych, czy ona coś takiego może wytłumaczyć, coś co nie świeci, a jednocześnie jest tego tak dużo. Co to może być w ogóle? I próbowano zaproponować to co już wiemy, na przykład, że małe czarne dziury, że jest ich tak dużo, że one tworzą ciemną materię, a nie są widoczne.
Próbowano również, proponowano również neutrina, że ponieważ już wiadomo było, że one mają masę, już dzisiaj wiemy, że one bardzo małą, ale masę mają, żeby ich było tyle, żeby one były ciemną materią. Zaproponowano neutrina tak zwane sterylne, czyli dodatkowe. Żadna z tych propozycji nie odpowiada temu, co tak naprawdę obserwujemy pośrednio, przez te krzywe rotacje galaktyk, to nie wytłumaczyły one. W związku z tym pozostała tak naprawdę propozycja, że są to nowe cząstki, czyli są to cząstki spoza modelu standardowego. Otóż pierwszym takim, takim najbardziej popularnym w pewnym momencie, popularną propozycją były tak zwane aksjony. To są bardzo lekkie cząstki o bardzo słabych oddziaływaniach i w związku z tym trudne do wykrycia.
Ja zresztą biorę udział w eksperymencie w CERN-ie w Genewie, który próbuje odkryć aksjony poprzez ich oddziaływanie z fotonami. To jest taki eksperyment, w którym mamy powiedzmy bardzo silny laser i ten laser jest wewnętrzno rozonansowy, w związku z tym jest tam bardzo dużo fotonów i liczymy na to, że któryś foton wyprodukuje aksjon, czyli zamieni się w aksjon, jest w silnym polu magnetycznym, ten aksjon przeleci na drugą stronę takiej ściany i po drugiej stronie jest taki sam magnez, zresztą magnez, który jest używany w LHC, w akceleratorze na dole 100 metrów niżej, bo to wszystko się dzieje oczywiście na powierzchni. I że tam aksjon się zamieni z powrotem w foton i zobaczymy ten foton.
Na razie nie widzieliśmy. Było kilka takich propozycji, ja również, więc ten eksperyment próbuje odkryć aksjony. Są różne propozycje cząstek o masie mniej więcej równej masie protonu. Te akcjony mają, przypuszczam hipotetyczne akcjony, mają masę dużo mniejszą niż nawet neutrina. Były dużo propozycji, ale na razie całkowicie bez sukcesu. Te propozycje nie wytłumaczyły istnienia czy obecności ciemnej materii. Próbowano je znaleźć w bardzo wielu eksperymentach. To się nie udało również w podziemnych eksperymentach neutrinowych, równolegle neutrinowych. To się nie udało. Więc tutaj chciałbym opisać propozycję, którą stworzyliśmy razem z moim przyjacielem, dyrektorem istutu Maxa Planka w Poczdamie, innego kandydata, który wynika z bardzo specjalnej teorii.
Ten kandydat to jest cząstka, która w tej teorii nazywa się grawitino i to są cząstki miliard miliardów razy cięższe niż proton. To są ekstremalnie ciężkie. One mają, właśnie to sugerujemy, że one mają masę Planka. Czyli wtedy, kiedy grawitacja staje się równie silna jak inne oddziaływania. W związku z tym ona jest taka cząstka, jest niemożliwa do wyprodukowania w jakimkolwiek eksperymencie akceleratorowym. Otóż natomiast ona może być odkryta w eksperymentach np. neutrinowych, ponieważ ona jest obecna wokół nas, bo wiemy, że ciemna materia istnieje. I teraz historia zaczęła się tej propozycji. Zaczęła się w latach 80. , gdy powstała tzw. N równa się 8 supergrawitacja.
Bardzo specjalna teoria łącząca teorie grawitacji z teorią cząstek elementarnych. I ponieważ wokół nas nie ma supersymetrii, więc wiemy, że to nie może być teoria otaczającego nas świata, ale ma ona bardzo specjalne własności. I te specjalne własności, jest bardzo specjalny skład cząstek. To jest teoria kwantowa, w związku z tym ona łączy kwantową grawitację z kwantową teorią cząstek elementarnych. I w niej, ona jest bardzo ściśle określona, w niej nie można nic zmienić. Tam jest jeden grawiton o spinie 2, 8 grawitin, stąd nazwa N równa się 8 supergrawitacje. 8 grawitin o spinie 3 drugie, jest 28 cząstek o spinie 1, 56 cząstek o spinie 1 druga i 70 cząstek o spinie 0.
To jest ustalony skład cząstek. I teraz, Murray Gell-Mann, człowiek, który zaproponował kwarki w latach 60. , to wizjoner w ogóle fizyki, Murray Gell-Mann w latach 60. i 70. zauważył, jak ta teoria powstała pod koniec lat 70. , że te 56 cząstek o spinie 1 druga, które ta teoria przewiduje, to 8 jest związanych z grawitinami, a zostaje 48 fermionów. A że 48 odpowiada 6 kwarkom w trzech kolorach i 6 leptonom. Chciałbym podkreślić, że to on to zrobił, tą obserwację wtedy, kiedy nie wszystkie kwarki i nie wszystkie leptony były znane. Także to było przewidywanie, ile ich jest.
Niestety w tym czasie to wiedziano jedynie, że liczba kwarków musi być równa liczbie leptonów, że ta liczba musi być parzysta i koniec. Natomiast może być 4, może być 6, może być 8, może być 26. Żadna teoria nie przewidywała, jaka to parzysta liczba odpowiada liczbie kwarków i leptonów. On powiedział, że jeżeli N równa się 8, supergravitacja jest teorią, która odpowiada naszemu światu, to powinno być 6 kwarków i 6 leptonów. I to przewidywanie do dzisiaj jest ważne. Otóż mówimy o początku lat 80. , czyli ponad 40 lat temu. Do dzisiaj powstały nowe akceleratory, które próbowały znaleźć nowe cząstki.
Energie są radykalnie wyższe niż, które można było osiągnąć w tamtych czasach i nadal liczba kwarków i liczba leptonów jest 6. Także to zaczyna być zastanawiające, czy to nie jest coś na rzeczy, że ta teoria przewiduje dokładnie 6, a nie więcej. Gdyby akcelerator LHC znalazł jakikolwiek nowy fermion o spinie 1,2, cała teoria by ległaby w gruzach, ponieważ on przewiduje 6 i nie ani więcej ani mniej. Do dzisiaj nie znaleziono żadnego takiego fermionu. Otóż Gell-Mann zauważył, że choć teoria ta przewiduje te 6 kwarków i 6 leptonów, to jeżeli w ramach tej teorii obliczy się ich ładunek elektryczny, to on się nie zgadza z obserwacjami.
To znaczy elektron ma zamiast minus 1, co wszyscy wiemy ze szkoły, ma minus 5 szóstych. Neutrino, które z samej nazwy jest neutralne, czyli nie powinno mieć ładunku, ma 1 szóstą. Wszystko jest poprzesuwane o 1 szóstą. I to spowodowało, on stwierdził, że tego się nie da poprawić w ramach teorii grup. Również Herman Nikolaj, ten mój przyjaciel, z którym pracuję, on zajął się tym wtedy i powiedział, rzeczywiście nie da się tego poprawić i wszyscy o tym zapomnieli, o tej propozycji i o tej teorii.
Natomiast kilka lat temu wróciliśmy do tego pomysłu, ponieważ mnie jako fizyka niezwykle zastanawiało, dlaczego ta liczba jest 6, a nie właśnie 8 czy 10 czy 12 i czy istnieje jakiś sposób przewidzenia tego, czy wytłumaczenia, że jest dokładnie 6. I okazało się, jak wróciliśmy do tej teorii sprzed 40 lat, że istnieje możliwość bardzo naturalnej korekty ładunku tego elektrycznego i wszystkie ładunki wskoczyły na swoje miejsce. To znaczy elektron ma minus jeden, neutriną ma zero, kwark u ma plus dwie trzecie, kwark d ma minus jedna trzecia i to nas niezwykle, oczywiście napisaliśmy pracę na ten temat, i to nas niezwykle podekscytowało.
Natomiast zauważyliśmy, że ta korekta również powoduje, że grawitina, czyli te cząstki o spinie trzy drugie, które zwykle są zakładane w jakiejkolwiek teorii jako niemające ładunku, nagle zaczynają mieć ładunek elektryczny. Co więcej, one są bardzo ciężkie i co jeszcze więcej nie mają się na co rozpaść. Czyli powiedzieliśmy sobie, no zaraz, jeżeli to jest cząstka, która powstała w erze Planka, w bardzo wczesnym wszechświecie, nie ma się na co rozpaść, to powinna być ciemną materią. Tylko dlaczego ona ma ładunek? Przecież ciemna materia sama nazwa wskazuje, że nie powinna mieć ładunku, bo inaczej niebo by nam świeciło.
Ale okazało się, że jeżeli one są tak bardzo ciężkie, to ponieważ znamy gęstość ciemnej materii w przybliżeniu w naszej galaktyce, to jak podzielimy przez bardzo wielką masę tych grawityn, okazuje się, że ich jest niezwykle mało. Jest ich mniej niż jedno grawitino w naszym otoczeniu na 1000 km3 przestrzeni kosmicznej. W związku z tym tak mała gęstość powoduje, że nawet jeżeli mają ładunek, to nie są widoczne, to nie będą świecić, niebo nie będzie świecić z ich powodu. Natomiast prawdopodobieństwo anihilacji grawitina z antygrawitinem jest praktycznie równe zero, w związku z tym to jest nasz kandydat na ciemną materię.
Ale pytamy, czy to się da wy odkryć, ponieważ one są tak ciężkie, to nie da się ich wyprodukować. Natomiast jeżeli mają ładunek, to one, policzyliśmy, że one mając tak wielką masę, taka cząstka po prostu nawet przejdzie przez ziemię całą, jonizując po drodze i wzbudzając atomy, tracąc trochę energii po drodze, ale dla niej te 12 000 km jonizacji to jest nic. Ona ma tak wielką energię, mimo że jest powolna stosunkowo, że ona może jonizować i wyjść z drugiej strony.
I wtedy wpadliśmy na pomysł, że być może eksperymenty neutrinowe, eksperymenty neutrinowe do badania neutrin są zawsze w głębokich kopalniach, bardzo głęboko pod ziemią, żeby nie zakłócały tego pomiaru żadne miony, które są produkowane w atmosferze, żadne inne cząstki. Natomiast neutrina przechodzą też przez ziemię bez żadnego problemu i w związku z tym te eksperymenty neutrinowe się umieszczają głęboko pod ziemią, czy w Gran Sasso koło Rzymu, to 2 km pod szczytem góry, czy w Stanach Zjednoczonych w głębokich kopalniach, czy w Kanadzie, SNO i tak dalej, czy w Japonii również Kamiokande i Super Kamiokande.
Otóż my wymyśliliśmy, że jeżeli te eksperymenty są, one są, prawda jest jakiś jakiś, jakiś, jakiś olej albo argon w środku i to jest obłożone fotopowielaczami, które czekają na jakiś błysk, to może jak ta nasza cząstka będzie przechodzić, to da się wykryć nasze, nasze, nasze grawitina. I okazuje się, że w najbliższym czasie ruszą dwa eksperymenty. Jeden w Chinach nazywa się Juno, a drugi trochę później, w następnym roku prawdopodobnie Dun w Stanach Zjednoczonych, które właśnie są budowane dla celów badania neutrin oczywiście, no niestety nie dla celów naszych grawitin.
I ten eksperyment w Chinach to będzie, to jest już zbudowana taka kula o średnicy ponad 35 metrów, w której ma być olej, 20 tysięcy ton oleju, obłożone to fotopowielaczami i to ma czekać na akurat na antyneutrina wbudowanych obecnie elektrowniach jądrowych blisko tego miejsca na południu Chin. Dwie elektrownie jądrowe, ponieważ elektrownie jądrowe są gigantycznym źródłem antyneutrin. Taka średnia elektrownia jądrowa produkuje 1000 miliardów miliardów antyneutrin na sekundę. I de facto około 10% energii z rozpadów czy z reakcji jądrowych unoszą antyneutrina, które oczywiście lecą sobie, wylatują tam w Australii czy w Chile, one lecą w każdą sobie stronę, przelatują przez Ziemię.
Natomiast, ponieważ jest ich tak dużo, to w bardzo dużej kuli istnieje duże prawdopodobieństwo, że co jakiś czas kilka razy dziennie zobaczymy błysk od antyneutrina. No więc my coś takiego zaproponowaliśmy w pracy niedawnej, którą teraz drugą napisaliśmy, żeby w tym eksperymencie również szukano cząste, które wolno przechodzą przez ten olej i produkują fotony. Inną propozycją jest ten eksperyment DUN, czyli Deep Underground Neutrino Experiment w Stanach Zjednoczonych, który z kolei jest czuły na neutrina z Chicago, z Fermi Labu. I on jest z kolei jeszcze większy, tam jest 70 tysięcy ton ciekłego argonu ma być. To ogromny eksperyment, więc też proponujemy, żeby ten eksperyment jak już ruszy szukał naszych cząstek.
Także ta propozycja bardzo czekam na wyniki tych eksperymentów, bo być może to jest ta ciemna materia, której wszyscy szukają, bardzo na to liczę. Dziękuję bardzo. .
S K R Y B O T
Skrybot. 2023, Video transcriptions from YouTube
By visiting or using our website, you agree that our website or the websites of our partners may use cookies to store information for the purpose of delivering better, faster, and more secure services, as well as for marketing purposes.