Ще открием ли някога тъмна материя във Вселената ?

Много е вероятно, че в ранната вселена са съществували други форми на материя, за които в момента ние нямаме никаква представа. В такъв случай е вероятно тя да се е разширявала не точно така както ние си представяме, смята Дан Хупър, старши научен сътрудник в Националната лаборатория за ускорители Енрико Ферми и професор по астрономия и астрофизика в Чикагския университет, разказвайки в списание Time за неуспешните опити да се открие тъмна материя.

Космологията е достигнала впечатляващи успехи. Изследванията, проведени от много учени през изминалите десетилетия, позволиха на човечеството да реконструира с най-малки подробности историята на създаване и развитие на нашата вселена. Ние знаем и сега по-уверено можем да твърдим, как точно вселената се е развивала в течение на голяма част от своята история и по какви причини това се е случвало. Понастоящем вселената ни е доста по-позната, отколкото преди.

И все пак има неща, които остават зад границата на нашето разбиране. Въпреки всички наши старания, ние не можем все още да си обясним някои явления във вселената. Възможно една от най-големите загадки е тъмната материя. Използвайки съвременните методи, учените с голяма точност определиха количеството на цялата материя във вселената и както се оказва, тя е много повече от обичайната материя, съществуваща във вид на атоми. След широка научна дискусия, продължила няколко десетилетия, учените стигнаха до извода, че по-голямата част (около 84%) от материята се състои не от атоми или друг вид известна ни материя, а от нещо друго, което не излъчва, не отразява и не поглъща светлина. Поради липса на по-подходящ термин ние наричаме това загадъчно нещо „тъмна материя“. Но да го наречеш по определен начин не означава, че го разбираш.

Преди десет години на много учени в областта на космологията, включително и на мен, ни хрумна нелоша хипотеза за същността на тъмната материя. Изтъкваните от нас аргументи се базираха на това, че тъмната материя се е образувала в течение на първоначалните десети от секундата след Големия взрив. По наши изчисления общото количество на частици от тъмна материя, образували се в ранната вселена, която след това е преживяла Големия взрив, трябва да зависи от степента на взаимодействие на тези частици една с друга и с обичайните форми на материята. Основавайки се на тези изчисления, ние стигнахме до извода, че това взаимодействие на тъмната материя би трябвало да е протекло посредством така нареченото слабо ядрено взаимодействие или чрез някакви други неизвестни сили с равна мощност на слабото взаимодействие. Ние нарекохме тези частици вимпи ( WIMP – Weakly Interacting Massive Particles) и те станаха най-добрия кандидат за ролята на частици на тъмна материя.

Ако тъмната материя действително се състои от вимпи, то би трябвало да имаме възможност да извършваме експерименти, които непосредствено да откриват и измерват отделните частици на тъмната материя. С тази цел малък екип от физици започна да създава свръхчувствителни детектори за откриване на тъмна материя. Учените започнаха да ги разполагат в дълбоки подземни лаборатории, скривайки ги от космическото лъчение (наскоро разказахме за едно от тези експериментални съоръжения XENON1T – бел.ред.) . По него време имаше надежда, че шансовете ни са достатъчно високи и този подход ще доведе до значимо откритие. През 2005 година аз се хванах на бас, че през следващите десет години ще бъдат открити частиците на тъмната материя. И безславно загубих. От техническа гледна точка експериментите бяха изпълнени прекрасно, но очакваните резултати не бяха получени. Оказа се, че това е половин беда. На Големият адронен колайдер, който започна да работи по същото време, също не бяха открити никакви признаци за тъмна материя. От проведените експерименти ние разбрахме, че тъмната материя е въпрос много по-сложен, отколкото си мислехме.

Нашата неспособност да открием частици на тъмна материя оказа значимо влияние на научната общност. Не изключвам, че и в момента се намираме на две крачки от решаването на тази задача. Но повечето от тези, които днес се занимават с тъмна материя признават, че много от любимите кандидати за ролята на тъмна материя вече отдавна би трябвало да бъдат открити, а това не се случва. Всичко това кара учените да обръщат към нови , понякога противоречащи една на друга, хипотези, което доведе до разработването на голям брой теоретични работи, свързани с тъмната материя и нейната природа.

Съгласно една от най-популярните хипотези, която се появи наскоро, тъмната материя може би се състои не от един вид, а от няколко вида частици, от които се е образувал така наречения „скрит сектор“. Частиците от скрития сектор могат да взаимодействат основно само едни с други и практически никога с другите известни ни форми на материя. Именно този факт обяснява защо ни е толкова трудно да ги открием при експериментите, провеждани дълбоко под земята или на Големия адронен колайдер. Тези частици, формиращи скрития сектор, е възможно да са се появили по време на ранната вселена и да са встъпвали в много сложни взаимодействия под действието на сили, за които в момента ние нямаме никаква представа. Физиците, изучаващи елементарните частици, предлагат множество теории, в които взаимодействието между различните видове скрита материя се явява като условие за непрекъснатото образуване на тъмна материя на етапа на ранната вселена.

Друга хипотеза касае не толкова тъмната материя, колкото пространствата, които тя е заемала в първите части от секундата след Големия взрив. При използване на уравненията от общата теория на относителността за пресмятане скороста на разширение на пространството се отчитат всички известни форми на материя и енергия, включително всички видове частици, наблюдавани на Големия адронен колектор. Но е много вероятно, че по време на ранната Вселена са присъствали други форми на материя, за които ние в момента нямаме никаква представа. В такъв случай е възможно нашата Вселена да се е разширявала не по начина, който ние си представяме. И ако това е ставало с друга скорост, различна от тази, която учените предполагат (тоест се е разширявала по-бързо или по-бавно), то взаимодействието на частиците на тъмната материя в течение на този период е било по-различно и следователно се е образувало друго количеството вещество, което ние наричаме тъмна материя.

За да се опише процеса на разширяване и развитие на Вселената, който е протекъл в течение на първата секунда на Големия взрив, ние можем да предлагаме множество различни хипотези. Напълно е възможно скоростта на разширяване да се е увеличила благодарение на взаимодействията на някакви неизвестни форми на материя и енергия. Също е възможно на скоростта на разширяване да са повлияли още по-неочаквани фактори, проявили се в първите мигове след взрива. Може в самото начало, през първата секунда, вселената да се е разширила в някакъв определен миг или в някакъв момент да е преживяла рязък фазов преход. А може всичко това да се е случило по съвършено друг начин. Възможно е да съществува някаква разновидност на частица, която при разпада си да е нагрявала вселената, променяйки по този начин нейната еволюция.

Хипотези могат да се предлагат много и най-различни. Всяка от тях може да пролее светлина върху процеса на формиране на тъмна материя и за първите мигове на живот на нашата вселена. Ако учените действително можеха да разберат какво точно се е случило тогава, то нашите представи за същността на тъмната материя почти сигурно биха са се променили. В този случай на учените веднага би им станало ясно какви експерименти следва да се извършат за да се открие тъмната материя и да отговорят на въпроса защо тъмната материя остава така неуловима.

Прекрасните резултати, получени при провеждането на експериментите с подземните детектори, предназначени за улавяне на тъмна материя и експериментите на Големия адронен колайдер, накараха космологията на преразгледа своите постулати. Съдейки по всичко, тъмната материя се различава много от най-разпространените представи за нея. Неуловимостта и ни накара да се откажем от много толкова скъпи на нашите сърца теории и да преминем към предлагането на принципиално нови хипотези относително тази субстанция и условията, при които тя се е формирала в първите мигове след Големия взрив.

Стремейки се да разберем природата на тъмната материя, ние се надяваме не само да открием частиците на тази субстанция, от която се състои по-голямата част на материята във вселената, но и да разберем какво точно се е случило в първите мигове на историята на вселената. В този смисъл тъмната материя ни позволява да пристъпим към описанието на Големия взрив. Аз не се съмнявам, че първите мигове на това грандиозно събитие държат ключа към „неразгаданото“ и „незнайното“. Дали ще можем ли достигнем до тези тайни, ще зависи само от нас.