Čestice kandidati za tamnu materiju Danilo Deli bašić IV

8

Uvod

    Skorašnja opažanja ukazuju na to da je naše trenutno poznavanje svemira veoma ograničeno Ispostavilo se da forma materije za koju smo do sada smatrali da čini celokupnu materiju svemira (barioni, nama su najpoznatiji protoni i neutroni), zapravo predstavlja samo njen relativno mali deo Čini se da živimo u svemiru sastavljenom primarno od novog, nedefinisanog oblika materije – tamna materija Naziv potiče od jedne od njenih osobina: ova vrsta materije ne interaguje putem elektromagnetne interakcije, te je “nevidljiva” za naše detektore elektromagnetnog zračenja, odnosno “tamna”

Standardni model čestica

          Objašnjava tri od četiri poznate interakcije, kao i čestice koje učestvuju u tim interakcijama Dve grupe čestica: gradivne i prenosioci interakcija Gradivne – leptoni (fundamentalne čestice) i hadroni (sastavljeni od kvarkova) Postoji 6 kvarkova: up, down, charm, strange, top, bottom Kvarkovi poseduju elektromagnetni i naboj boje 6 leptona: elektron, mion, tauon i njihovi odgovarajući neutrini: elektronski, mionski i tauonski Elektron, mion i tauon poseduju elektromagnetni naboj Neutrini ne poseduju naelektrisanje O masi neutrina se ne može sa sigurnošću govoriti Leptoni ne poseduju naboj boje

   Osnovne “fizičke” interakcije se mogu objasniti kao posledica razmene odgovarajućih čestica Čestice moraju posedovati odgovarajući naboj da bi učestvovale u datoj interakciji Osnovne interakcije (od najslabije ka najjačoj): gravitaciona, slaba, elektromagnetna i jaka

Supersimetrija

  Teorija koja tvrdi da svakom bozonu odgovara fermion (i obratno) – superpartneri Supersimetrija je narušena simetrija, po pitanju mase  Velike mogućnosti u objašnjavanju nerazjašnjenih fenomena  Uvodjenje supersimetrije zahteva dupliranje broja čestica Standardnog modela  Neke od ovih čestica predstavljaju ozbiljne kandidate za tamnu materiju (npr. neutralino, gravitino)

Standardni kosmološki model

  Trenutno najprihvaćeniji model svemira Osnovne karakteristike svemira:  Izotropnost i homogenost  Svemir je ravan  Postojanje početka – “Veliki prasak”    Model je predvideo postojanje kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja Standardni model nije bio u mogućnosti da objasni sve uočene pojave Njegova najsavremenija verzija je ΛCDM (Lambda – Cold Dark Matter) model, koji uključuje postojanje tamne materije i tamne energije

Tamna materija

 Indikacije o postojanju tamne materije:  Svemir je ravan  Galaktičke rotacione krive  Gravitaciona sočiva  Kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje  Formiranje struktura

Čestice kandidati za tamnu materiju

 Tri tipa čestica tamne materije: vrele, tople i hladne 

Vrela tamna materija

       Lake čestice koje se kreću ultrarelativistički Najbolji kandidat neutrino, interaguje putem gravitacione i slabe interakcije Detektovanje se najčešće vrši u podzemnim laboratorijama Sterilni neutrino, samo putem gravitacione Visoka nepouzdanost u masi sterilnog neutrina Teorija vrele tamne materije isključena kao vodeća ili vrlo relevantna Pominje se samo u kontekstu kombinovane teorije



Topla tamna materija

          Po osobinama izmedju vrele i hladne tamne materije Relativističke čestice Glavni kandidat (pored pomenutog sterilnog neutrina) je gravitino Topli sterilni neutrino je veoma ozbiljan kandidat Predložena metoda otkrivanja sterilnih neutrina putem detektovanja X zračenja Gravitino je supersimetrični partner gravitona Spin mu je 3/2 Masa reda veličine 10 15 TeV Raspadom gravitina se dobija kontinualan spektar γ zračenja i antimaterije (pre svega pozitrona) Jedan od manje verovatnih kandidata



Hladna tamna materija

   Masivne čestice koje se kreću relativno sporo Najprihvaćenija od nabrojane tri teorije Tri kategorije kandidata: MACHOs, aksioni (i aksini) i WIMPs

MACHOs

       Barionska materija Massive Compact Halo Objects Njihovo gravitaciono polje onemogućava (potpuno, ili u velikoj meri) emitovanje elektromagnetnog zračenja Gravitaciono izolovana tela MACHOs: Crne rupe, neutronske zvezde, braon patuljci, usamljene zvezde, beli, kao i veoma bledi crveni patuljci Model tamne materije sastavljene većinski od MACHOs se ne uklapa sa realnim stanjem svemira I dalje potrebna velika količina nebarionske materije za objašnjenje tamne materije

Aksion i aksino

           Aksion je veoma dobar kandidat za tamnu materiju Interaguje samo putem gravitacione interakcije Spin jednak nuli Masa vrlo mala, izmedju 10 -6 Kreću se veoma sporo i 10 -2 eV Aksioni se pod uticajem jakog magnetnog polja raspadaju na dva fotona (povratan proces) Neki naučnici su vrlo skeptični po pitanju postojanja aksiona Aksino – supersimetrični partner aksiona Nedovoljno istražen kandidat, mada se takodje smatra veoma dobrom mogućnošću Ne poseduje elektromagnetni, niti naboj boje, vrlo slabo interaguje putem slabe interakcije Najviše obećava aksino mase mirovanja reda veličine 100 keV

WIMPs

          Weakly Interacting Massive Particles Veoma široka kategorija kandidata Interaguju samo putem slabe i gravitacione sile Veoma slične osobine neutrinima Masa reda veličine od GeV do 100 GeV Jedni od najverovatnijih kandidata Većina eksperimenata se bazira na elastičnim sudarima WIMP-ova sa atomskim jezgrima Instrumenti moraju posedovati sposobnost da utvrde karakter dogadjaja (sudara) Druga vrsta eksperimenata se bazira na detekciji solarnih neutrina Treći način se vrši u sudaračima

Alternativna objašnjenja

  Tamna materija i tamna energija predstavljaju, medju kosmolozima, najprihvaćeniju teoriju koja objašnjava sastav i ubrzano širenje svemira Odredjeni broj fizičara (mada su oni u manjini) predlaže alternativne teorije u vidu:  Modifikacija gravitacije i/ili zakona dinamike  Kvantno mehaničkih objašnjenja  Teorije tamnog fluida  Postoje jo š neke alternativne teorije, ali su ove tri najzastupljenije

Zaključak

     WIMP-ovi, aksioni i pojedini neutrini su trenutno najbolji kandidati Barionska, vrela tamna materija i gravitino su odbačeni kao većinski konstituenti Neke alternativne teorije daju dobra poklapanja sa opažanjima Postojanje tamne materije je ipak verovatnija mogućnost Na odgovor na navedene anomalije možda nećemo morati dugo da čekamo