Čudesna igra tamne materije~ povodom novosti iz Cerna

                      The flux of high-energy particles near Earth (cosmic rays) can come from many sources. “Primary” particles (green) come from the original cosmic-ray source (typically, a supernova remnant). “Secondaries” (yellow) come from these particles colliding with interstellar gas and producing pions and muons, which decay into electrons and positrons. A third, interesting possibility is that electrons and positrons (purple) are created by the annihilation of dark matter particles, denoted by χ ˜ in the figure, in the Milky Way and its halo. Note that for illustrative purposes the background image used here is of Andromeda, a typical spiral galaxy, roughly similar to
IZVOR

 

 

 Ukoliko je tamna materija osnovna čestica, milijarde takvih čestica će proći kroz vaše telo dok završite s čitanjem ovog članka – izjavio je jednom Džordž Lejk.

D anas su objavljeni prvi rezultate potrage za tamnom materijom. “Za nekoliko meseci, AMS će moći sa sigurnošću da kaže da li su ovi pozitroni znaci tamne materije ili imaju drugo poreklo.”,rekao je Semjuel Ting, portparol AMS-a.
Tamna materija ne zrači elektromagnetne talase, ne apsorbuje ih niti reflektuje i nije samo tamna, već je i potpuno prozirna.
Njeno postojanje predvideo je još 1934. švajcarski astronom Fric Zvicki. Neutralino je jedna od čestica za koju se pretpostavlja da je čestica tamne materije. Teorija poznata kao supersimetrija daje tumačenje po kom pozitroni verovatno nastaju kada se dve čestica tamne materije sudare i anihiliraju. Drugim rečima sudari čestica bi trebali da proizvedu veliki broj visoko-energetskih pozitrona. . Pod pretpostavkom da je tamna materija ravnomerno raspoređena u svemiru, ova teorija upravo predviđa rezultate kakve je AMS zabeležio.

Signal antimaterije prvi put su nagovestili podaci iz 2008. godine kada su je uočili istraživači koji koriste jedan drugi svemirski detektor, stelit PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics : astrofizička sonda za istraživanje antimaterije i lakih jezgara).Ovaj satelit  nastao je kao proizvod međunarodne saradnje Rusije, Italije, Nemačke i Švedske. Lansiran je 2006. i još uvek prikuplja podatke.
PAMELA je otkrila veću količinu pozitrona - čija je “ antimaterijska” replika tj opozit elektron - više nego što je bilo ko od istraživača mogao i očekivati. Primećen je po jedan pozitron na svakih 100 elektrona, mada su astronomi očekivali odnos od oko jednog pozitrona na svakih 10. 000 elektrona. 

Naučnici CERN-a su pomoću posebnog spektrometra (Alpha Magnetic spektrometar-AMS),na Međunarodnoj svemirskoj stanici (ISS) pre dve godine primetili isto veliku količinu pozitrona, pozitivno nabijenih subatomskih čestica. Od lansiranja u 2011, AMS je imao oko 30 milijardi detektovanih čestica. Ukupan broj pozitrona identifikovanih uz pomoć AMS iznosi više od 400 hiljada čije su energije između 0.5GeV i 350GeV, što je najveći broj pozitrona “uhvaćenih” tj zabeleženih direktno iz svemira.
Prvi čovek ovog eksperimenta, nobelovac Semjuel Ting, kaže kako dosad prikupljeni dokazi "podržavaju postojanje tamne materije ali ne isključujuju ni mogućnost da potiču od pulsara", neutronskih zvezda koje izuzetno brzo rotiraju i emituju jako elektromagnetno zračenje, najčešće u obliku radio-talasa. Semjuel Ting očekuje rezultate merenja u roku od nekoliko meseci. Rezultat merenja je važan jer bi ovo otkriće moglo pomoći nauci da  objasni zašto svemir postoji u ovom obliku, to jest šta i kako drži galaksije zajedno.

"Ovo je detektivska priča stara osamdeset godina, i izgleda da je na kraju", kazao je fizičar Michael Turnersa Univerziteta u Chicagu.
 

Konvencionalna teorija polazi od pretpostavke da tamna materija služi kao "skelet" za strukture svetle materije velikih razmera. Ova vrsta tamne materije mogla bi da objasni toliko važne fenomene kao što je evolucija strukture univerzuma - na primer, zašto i kako su se galaksije skupile u velike grupe, umesto da se ravnomerno rasporede po svemiru.

 

 

MATERIJA

O bična materija u univerzumu čini samo nekoliko procenata sastava univerzuma. Skoro četvrtina, ili otprilike četvrtina materije u univerzumu, je ono što je nevidljivo. Nevidljivo znači da nešto ne apsorbuje elektromagnetni  spektar,  nema interakciju sa elektromagnetnim spektrom, koji naučnici koriste za detekciju ( ne odbija svetlost drugih svetlih nebeskih objekata).  Pa kako onda znamo da je nešto tu? Znamo da je tu zbog njegovog gravitacionog dejstva. Gravitacijska sila postoji zbog zakrivljenosti prostora( Einstein)  a uzrok zakrivljenosti je, naravno, masa. Izgleda da tamna materija dominira gravitacionim efektima u univerzumu na velikoj skali, i o tome postoje dokazi.

 

                                              

                                                               Pandorin grozd galaksija

 

 

KLASTERI GALAKSIJA

 

Klasteri galaksija su najveće poznate strukture u svemiru koje se sastoje od stotina galaksija i triliona zvezda i velikih količina gasova i tamne materije. Gasovi, galaksije i tamna materija međusobno se privlače vlastitom gravitacijom tako da se tokom dugog razdoblja okupe u jedan veliki grozd.

"Kamo god se u svemiru okrenuli, nailazimo na silne galaksije rasute kao prašina. Gotovo sve se galaksije nalaze u skupovima. Astronomi su otkrili da se manji skupovi galaksija udružuju u još veće skupine, koje nazivamo veleskupovima ili superskupovima. Veleskupovi nisu izdvojeni u svemiru, već – zajedno s mnogim manjim nakupinama galaksija – oblikuju prostornu mrežu odnosno saće, unutar kojih se nalaze velike praznine – prostor praktički bez galaksija i tvari . Stoga svemir izgleda kao spužva. Neki od tih skupova su pravilni, otprilike kuglastog (sfernog) oblika i sadržavaju uglavnom eliptične galaksije. Drugi su nepravilne nakupine većinom nepravilnih i spiralnih galaksija. Sve galaksije jednog skupa povezane su gravitacijom. Poneki skup može sadržavati stotine pa i hiljade galaksija."(vidi više o galaksijama)

 

 

Deloimično izmenjen tekst sa TEDa

Patricia Burchat: Shedding light on dark matter

 

 U tim galaksijama, posebno u spiralnim, većina mase zvezda je koncentrisana u sredini galaksije. Ova ogromna masa svih ovih zvezda drži zvezde u kružnim orbitama u galaksiji. Zvezde koje su bliže masi u sredini trebale bi da rotiraju većom brzinom od onih koje su udaljenije. Ako biste merili orbitalnu brzinu zvezda, one bi trebalo da budu sporije na ivicama nego unutra. Drugim rečima, ako bi merili brzinu kao funkciju rastojanja očekivali bismo da se ona smanjuje kako se rastojanje povećava od centra galaksije. Kada se ta merenja izvrše, umesto toga nalazimo da je brzina u suštini konstantna, kao funkcija rastojanja. Ako je konstantna, to znači da zvezde  na rubu osećaju gravitaciono dejstvo materije koje mi ne vidimo. Izgleda da su galaksije ubačene u oblak nevidljive tamne materije. A ovaj oblak materije je mnogo više sferičan nego same galaksije, i prostire se preko veće oblasti od galaksije. Znači vidimo galaksiju i to fiksiramo, ali to je zapravo oblak tamne materije koji dominira strukturom i dinamikom ove galaksije.

 

 G alaksije ( kao što je rečeno) nisu nasumično razbacane po prostoru; one imaju tendenciju da se grupišu. Znači one se grupišu i ako ih sada uslikamo, i ako ih slikamo za deset godina -izgledaće isto a zapravo se za sve vreme se kreću visokim brzinama.  Kreću se okolo u o gravitacionoj potencijalnoj jami grupe. Orbitalnu brzinu kretanja galaksija možemo da merimo i na taj način izračunamo koliko mase postoji u ovoj grupi.

Na osnovu merenja vidimo da postoji mnogo više mase nego što se može pripisati galaksijama koje vidimo. Ili ako posmatramo druge delove elektromagnetnog spektra, takođe vidimo da postoji dosta gasa u  grupi.  Ali tni a količina gasa ne može da objasni ukupnu masu. Zapravo, na osnovu merenja ispada da postoji oko deset puta više mase, dakle mase nevidljive materije (tamne materije) nego što postoji obične materije. 

Masa zakrivljuje okolni prostor. Kretanje drugog tela određeno je zakrivljenošću tog prostora. Einsteinova opšta teorija relativnosti uspešno objašnjava skretanje svetlosti koje je važno kod merenja.

 

 

MERENJE

 

Pretpostavimo da postoji galaksija tamo u univerzumu. Kako vidimo tu galaksiju? Zrak svetlosti napušta galaksiju i putuje kroz univerzum možda milijardama godina pre nego što dospe u teleskop ili vaše oko. Kako zaključujemo gde je ta galaksija? Zaključujemo prema smeru u kom putuje zrak dok ulazi u naše oko. Kažemo, zrak svetlosti je došao odavde (A) ; galaksija mora da je tamo. Pretpostavimo da posmatramo grupu galaksija (ne zaboravite na tamnu materiju). Ako uzmemo u obzir drugi zrak svetlosti (B), moramo uzeti u obzir Ajnštanova predviđanja iz teorije opšte relativnost koje objašnjava  gravitaciono polje koje, zbog mase, skreće ne samo putanju čestica, već skreće i samu svetlost.

 

     

 

Znači ovaj zrak svetlosti neće nastaviti da ide pravolinijski,već će se saviti i na kraju bi mogao da završi u vašem oku. 

Tamna materija svojom gravitacijom zakrivljuje put običnoj svetlosti, efektom koji se naziva gravitaciono sočivo a koje stvara višestruke slike zvezda i galaksija koje se nalaze iza nje. Likovi dalekih, bledih galaksija deformišu se kada naiđu na masivnu tamnu materiju.

 

Einsteinov prsten i gravitaciono sočivo

 

Kao što sabirno sočivo (lupa) može fokusirati snop svetlosti koji dolazi iz »beskonačnosti« u malu tačku - žižu, sličan (ali ne i ekvivalentan) efekat može izazavati i neko telo vrlo velike mase; dobri kandidati su crne rupe i galaksije. Takvo masivno telo može se ponašati kao i optičko, sabirno sočivo, fokusirajući svetlost nekih daljih i skrivenijih nebeskih objekata, i uzevši u obzir ovu sličnost, efekat je dobio ime - gravitaciono sočivo. Međutim, i kod gravitacionih sočiva, kao i kod optičkih uređaja, postoje nesavršenosti koje nam mogu izobličiti sliku udaljenog objekta; poznat je primer Einsteinovog  krsta, kada se jedan udaljeni objekat pojavljuje uvišestručen na fotografijama koje beleže instrumenti.
Međutim, na donjoj fotografiji Svemirskog teleskopa Habl (HST, Hubble Space Telescope), vide se dva prstena formirana ovim efektom. Reč je o čak tri galaksije koje se nalaze na istoj vizuri, tako da prednja galaksija formira po jedan prsten, tzv. Ajnštajnov prsten, od svake od galaksija. Prednja galaksija, ona koja se ponaša kao sočivo, udaljena je oko tri milijarde svetlostnih godina od nas, a ostale dve oko šest i jedanaest milijardi svetlosnih godina. Sve se to dešava u sazvežđu Lav, na koordinatama R. A. 09h 46m 56.s68 (J2000), Dec. +10° 06' 52."6.

 

                                                    dvostruki Einsteinov prsten

 Na osnovu stepena iskrivljenja koje vidimo na slikama, izračunavamo koliko mase mora da postoji u nekoj galaktičkoj grupi. A to je ogromna količina mase. Ovi lukovi nisu centrirani u pojedinačnim galaksijama;oni su centrirani u nekoj raširenijoj strukturi.A to je tamna materija u kojoj je ugrađena grupa. Znači mi ne vidimo tamnu materiju ali vidimo barem njen efekte.

TAMNA MATERIJA i TAMNA ENERGIJA

Hajde sada da se bavimo tamnom energijom.Da bi razumeli dokaze za tamnu energiju, potrebno je razmotriti nešto što je Stephen Hawking spomenuo u jednoj sesiji.A to je činjenica da se prostor širi.  Svakim danom, svakom godinom, svakom milijardom godina,  rastojanje između galaksija se povećava.A  to nije zato šte se galaksije međusobno udaljuju kroz svemir; nije baš da se kreću kroz svemir. One se međusobno udaljavaju jer se sam svemir povećava. To znači širenje univerzuma ili prostora.

Nakon Velikog praska, prostor se širio veoma velikom brzinom. Pošto je materija koja ima gravitaciono privlačenje ugrađena u ovaj prostor, ona ima tendenciju da usporava širenje prostora. Znači širenje se usporava s vremenom. Znači, u prošlom veku, ljudi su raspravljali o tome da li će se ovo širenje prostora nastaviti zauvek, da li će se usporiti ali nastavljati zauvek,hoće li se usporiti i stati, asimptotski stati, ili usporiti, zaustaviti, a onda, obratno ponovo početi da se skuplja. Pre nešto više od jedne decenije, dve grupe fizičara i astronoma su počeli da mere stopu po kojoj se širenje prostora usporava. Za koliko manje se širi danas, u poređenju sa, na primer, pre par milijardi godina?

 

Z panjujući odgovor na ovo pitanje, iz ovih eksperimenata, jeste da se prostor širi brže danas, nego pre nekoliko milijardu godina. Znači širenje prostora se zapravo ubrzava. Ovo je bio potpuno iznenađujući rezultat. Ne postoji ubedljiv teorijski argument zašto se ovo događa. Niko nije unapred predvideo da će se to utvrditi .Očekivalo se upravo suprotno. Zato nam je potrebno nešto što će moći to da objasni. Sada to nazivamo jednom vrstom energije. Ali to je potpuno drugačija vrsta energije od bilo čega što smo do sada videli. Mi to nazivamo tamnom energijom i ima dejstvo da izazove da se prostor širi. Ali nemamo dobar razlog da to uvedemo u ovom trenutku. Znači potpuno je neobjašnjeno zašto moramo da to unesemo.

Tamna materija i tamna energija su potpuno različite stvari. Postoje stvarno dve misterije o tome šta čini veći deo univerzuma, i one imaju veoma različita dejstva. Tamna materija, pošto gravitaciono privlači, ima tendenciju da ohrabruje rast strukture. Tako da će grupe galaksija imati tendenciju da se formiraju, zbog ovog gravitacionog privlačenja. Tamna energija, s druge strane, stvara sve više i više prostora između galaksija.Ona smanjuje gravitaciona privlačnost među njima i tako ometa rast strukture. I tako posmatrajući stvari poput grupa galaksija, učimo o tome kako se tamna materija i tamna energija međusobno takmiče u formiranju strukture.

 Nemamo dokaz tamne materije ali imamo dobro motivisane kandidate za tamnu materiju. Šta znači dobro motivisane? Mislim da imamo matematički konzistentne teorije koje su zapravo uvedene da bi objasnile objasne ove nove  fenomene. Ove teorije  previđaju postojanje veoma slabo reagujuće nove čestice.

Tamna materija se deli na barionsku i nebarionsku tamnu materiju koja se dalje deli na vruću i hladnu tamnu materiju. U barionsku tamnu materiju spadaju nebeska tela kao sto su smeđi patuljci i crne rupe dok u vruću tamnu materiju spadaju neutrini.
Hladna materija je dobila svoj naziv zbog toga što se njene čestice za razliku od tople kreću jako sporo brzinama koje su mnogo manje od brzine svetlosti. Neutirni za koje se smatra da čine zanemariv deo tamne materije su odavno otkriveni dok čestice hladne materije nisu. U hladnu tamnu materiju spada čitava grupa pomenutih novih čestica čije postojanje su fizičari teorijski predvideli.

Jedan način da čestice otkrijemo i posmatramo je izgradnja detektora  izuzetno osetljivih na tamne čestice koje prolaze kroz i sudaraju se s njima.

Mi ne znamo da li je ijedna od ovih pretpostavljenih čestica stvarno kandidat za tamnu materiju ili je u pitanju možda nešto potpuno drugo.

 

 

DETEKTORI

 

Za detekciju tamne materije koriste se tri vrste detektora prva vrsta jesu detektori sa kristalima kao što su oni u rudniku Minesoti, druga vrsta detektora koristi tečne plemetnite gasove a treća detektore koji su postavljeni u ledu.
U budućnosti se planira završetak izgradnje ogromnog detektora tamne materije koji će se sastojati od leda (na južnom polu koji će imati dimenzije veće od 1 km). Jedan od metoda da se izbegne registrovanje kosmičkih zraka umesto tamne materije jeste taj da se detektori usmere ne prema nebu nego prema zemlji budući da kosmički zraci za razliku od tamne materije ne mogu da prođu bez absorbcije kroz celu površinu zemlje.
Naime jedno od glavnih svojstava tamne materije koje otežava njenu detekciju jeste upravo to da čestice tamne materije toliko slabo reaguju sa običnom materijom da mogu proći kroz planete i zvezde bez skoro ikakve interakcije što bi u budućnosti ako se ti detektori usavrše moglo da se koristi za ispitivanje unutrašnjosti zemlje. O tome koliko tamna materija slabo reguje sa običnom materijom svedoči podatak da svake sekunde na svaki kvadratni metar zemlje padne preko 600 000 milijardi neutrina a jedan od najvećih detektora( Japan) je prilikom eksplozije jedne od najačih supernove u ljudskoj istoriji kada je stvoren znatno veći broj neutrina uspeo da registruje svega 12 čestica. Hladnu materiju je još teže detektovati jer na površini zemlje padne znatno manji broj čestica hladne tamne materije u poređenu sa ukupnim brojem neutrina.
Zbog toga sto su detektori u Minesoti okrenuti prema unutrašnjosti zemlje.

Alpha Magnetic spektrometar

AMS, kao i Pamela pre njega, radi tako što detektuje čestice iz prirode – u ovom slučaju iz kosmosa – koje se javljaju u vidu kosmičkih zraka. Detektori na Međunarodnoj svemirskoj stanici (ISS) identifikuju čestice prema njihovoj energiji i naelektrisanju.

 

"Istraživanje Alfa Magnetik spektrometrom-2 na Međunarodnoj svemirskoj stanici ISS  sponzoriše Department of Energy SAD a finansira ga 16 zemalja sveta. Više od 600 fizičara iz celog sveta će učestvovati u korišćenju i proučavanju podataka koje će generisati ovaj detektor čestica.

 "AMS  meri vrlo precizno visoke energije kosmičkih zraka," objašnjava dobitnik Nobelove nagrade Samuel Ting, fizičar na Massachusetts Institute of Technology, koji je zamislio AMS i vodi njegov razvoj od 1995.g.
Istorija pokazuje da su najuzbudljivija otkrića ona koja niko nikada nije zamišljao. Baš kao što su radio teleskopima i infracrvenim teleskopima otkriveni kosmički fenomeni koji su nevidljivi za tradicionalni optički teleskop, AMS će otvoriti još jedan aspekt svemira za istraživanje.

 

Ting upoređuje AMS i akcelerator čestica u CERN-u u Ženevi, u Švajcarskoj. Umesto otkrivanja kosmičkih zraka velike brzine iz celog Svemira, akceleratori prave vlastite čestice pomoću ogromne količine električne energije. U istraživanju čestica, CERN i AMS koriste isti trik: oba koriste jaka magnetna polja za skretanje čestica, i nizove silikonskih ploča i drugih senzora unutar detektora za praćenje zakrivljenja putanje čestica.

 

Dakle Alfa magnetski spektrometar je neka vrsta "mini-CERN-a" postavljena u svemiru.
Mnogo terabajti podataka će izaći iz tih senzora, koji će nam omogućiti da upoznamo masu, energiju i električni naboj čestica. AMS je montiran na  ISS, ne može da slobodno leti kao satelit. AMS proizvodi veliku količinu podataka i u snopi ih šalje dole na Zemlju, tako da mora da ga služi superkompjuter sa 650 procesora. AMS zahteva 2,5 kW snage - daleko više od običnog satelita sa solarnim panelima. Unutar svemirske stanice napajanje je 100 kW .
"AMS je u osnovi detektor za sve namenjene čestice preseljen u svemir", kaže Ting.
Postoje dve važne razlike između AMS i podzemnih akceleratora. Prvo, AMS će otkriti čestice kao što su teška jezgra, koje su znatno veće energije od onih koje ubrzivač čestica može da ponudi. Najsnažniji akcelerator čestica na svetu, Large Hadron Collider u CERN-u, može da sudara čestice s kombinovanom energijom od oko 7 Tera-elektronvolta. Nasuprot tome, kosmički zraci mogu imati energiju više od 100 miliona TeV. Druga važna razlika je da akceleratori razbijaju čestice da bi u njima videli manje čestice, a AMS traži visoko-energetske čestice dubokog svemira da bi više saznali o Kosmosu..(izvor)

Prsten tamne materije (Credit: Image courtesy of Andalucía Innova

 Iako po dosad dobijenim podacima postoje nagoveštaji “tamne materije”, naučnici se ne usuđuju da tumače njihovo moguće značenje sve dotle dok ne bude prikupljeno više informacija. Ako je AMS zaista zabeležio veliki broj visoko-energetskih pozitrona ( koji je nastao "raspadom" tamne materije) možda će to biti dokaz da se tamna materija sastoji od ...(neutralina).

                                        ___________________________________



                                                            

                                                             ARHIVA
                                                             FIZIKA 

                                                          

                  Na tragu neobičnim materijama kosmosa~tamna materija

                 Samorazarajuća tamna materija u srcu Mlečnog puta –otkrića

                                            Neutrino brži od svetlosti

                               CERN- Antimaterija ukroćena skoro 17 minuta