Č estice kandidati za tamnu materiju

1. Čestice kandidati za tamnu materiju Danilo Delibašić IV8

2. 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”

3. 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

4. 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

5. 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)

6. 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

7. Tamna materija • Indikacije o postojanju tamne materije: • Svemir je ravan • Galaktičke rotacione krive • Gravitaciona sočiva • Kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje • Formiranje struktura

8. 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

9. 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 1015 TeV • Raspadom gravitina se dobija kontinualan spektar γ-zračenja i antimaterije (pre svega pozitrona) • Jedan od manje verovatnih kandidata

10. MACHOs • Hladna tamna materija • Masivne čestice koje se kreću relativno sporo • Najprihvaćenija od nabrojane tri teorije • Tri kategorije kandidata: MACHOs, aksioni(i aksini) i WIMPs • 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

11. 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 i 10-2 eV • Kreću se veoma sporo • 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

12. 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

13. 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 još neke alternativne teorije, ali su ove tri najzastupljenije

14. 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