Ловецът на тъмна материя

https://www.24plovdiv.bg/novini/article/10431483 Ловецът на тъмна материя Ловецът на тъмна материя www.24plovdiv.bg

Джон Елис е най-цитираният физик, който неуморно преследва частиците извън Стандартния модел

Джон Елис е може би най-цитираният физик в света. World Scientific категорично го определя като най-цитирания физик за всички времена.

Към днешна дата Елис е цитиран над 92 хил. пъти, а всяка негова статия е споменавана в други научни публикации средно по 94 пъти. Освен изключителните научни постижения, той има един рядък талант – умее да обяснява дори най-заплетените концепции във физиката ясно.

Той е и човекът, въвел популярния термин „Теория на всичко“.

Елис е член на Кралското общество, Clerk Maxwell професор по теоретична физика в King's College London, носител е на престижните награди „Максуел“ и „Пол Дирак“. За огромния си принос в науката е отличен от британската кралица с ордена Commander of the Order of the British Empire. Избран е за член на Лондонското кралско общество през 1985 г. и на Института по физика през 1991 г. и е почетен сътрудник на Кралския колеж в Кеймбридж и на Кралския колеж в Лондон.

Докато обикаляме ЦЕРН, за да не изпуснем поредната среща, минаваме през кафето и там за втори път виждам човек, който ми се струва познат. Моля Зорница Захариева – една от българките в ЦЕРН, на ключова позиция, да ми помогне да се запозная с него. С усмивка тя ми отговаря, че това е Джон Елис - един от най-изтъкнатите физици в света – истинско светило в областта на теоретичната физика. Ученият изглежда вглъбен в работата си и не забелязва, че от няколко минути

стоим на разстояние от него

и се чудим как да го заговорим. Доста самонадеяно с 26-те години стаж и опит във всякакви ситуации, тръгвам към него, но Захариева тактично ме спира. „Нека първо аз да поговоря с него - казва тя. - Джон Елис е много отзивчив. Преди няколко години го поканих да изнесе лекция пред 24 български ученици, които бяха в ЦЕРН на стажантска програма, и той прие с удоволствие.“ Тя тихо се приближи, извини се, че го безпокои, каза му няколко думи, той кимна, след което ни извика. Има мигове, които се запечатват в съзнанието за цял живот и този е един от тях. В момента, в който този велик учен вдигна погледа си към нас, в очите му имаше такава доброта, смирение и скромност и същевременно такъв блясък, че те оставиха завинаги един особен отпечатък.

Странен и впечатляващ момент, както всичко в Европейската организация за ядрени изследвания, която тези дни отпразнува 50-годишнината от пуска в експлоатация на първия колайдер (ISR - Intersecting Storage Rings), който е крайъгълен камък за развитието на ускорителите в ЦЕРН. Благодарение на тях физици като Елис могат да разкриват тайните на тъмната материя, на черните дупки, на антиматерията и да ни приближават всеки ден към Новата физика, която ще обедини Стандартния модел с необяснимите странности на квантовата физика.

Самият Елис след докторантурата си от университета в Кеймбридж през 1971 г. се присъединява към групата SLAC в калифорнийския университет Caltech. Паралелно с това работи и в CERN, където шест години е ръководител на теоретичния департамент и в момента продължава да е част от него.

Научните му интереси се фокусират върху феноменологичните аспекти на физиката на елементарните частици и връзките им с астрофизиката, космологията и квантовата гравитация. Част от изследванията му са посветени на интерпретирането на резултатите от търсенето на нови частици. Той е един от първите, които изучават как може да се открие бозонът на Хигс и какво е неговото отношение към евентуалната

Нова физика,

към тъмната материя и суперсиметрията. Той също така изучава възможните бъдещи ускорители на частици, като компактния линеен колайдер (CLIC) и бъдещите кръгови колайдери.

Изследователските му интереси са концентрирани върху физиката на частиците извън Стандартния модел, която все по-често се преплита с астрофизиката и космологията. Във физиката на частиците той прави прогнози за резултатите от експериментите в ускорителите и интерпретира получените данни. Интересите му в астрофизиката и космологията включват тъмната материя и стратегии за нейното откриване, както и тъмната енергия и космологичната инфлация.

Голяма част от неговите изследвания са посветени на суперсиметрията, която той смята за едно от най-обещаващите възможни разширения на Стандартния модел.

През 1984 г. заедно с колегите си Хейглин, Нанопулос, Олив и Средницки стигат до извода, че най-леката суперсиметрична частица ще бъде естествен кандидат за тъмната материя и изчисляват плътността й във Вселената. Статията „Суперсиметрични реликви от Големия взрив“ в сп. „Ядрена физика“ е цитирана над 1000 пъти. През 1990 - 1991 г. заедно с Кели и Нанопулос публикуват 2 статии с прецизни данни от LEP, за да покажат как суперсиметрията ще помогне за унифициране на връзките и взаимодействията в Стандартния модел. Едната е цитирана 795 пъти, а другата 429.

През 1991 г., 20 години преди физиците в ЦЕРН да открият Higgs бозона, Елис заедно с Ридолфи и Цвирнер изчисляват масата на лекия супернесъразмерен Higgs бозон като резултатът им съответства на данните след откриването му в LHC. Може би затова още тогава тази статия е цитирана над 1000 пъти.

През 2003 г. във Physics Letters той публикува статията „Суперсиметрична тъмна материя в светлината на WMAP“ и това се превръща в една от най-влиятелните статии изобщо във физиката. С нея той показва, че с WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – изследователската мисия на НАСА) може да се определи плътността на тъмната материя. Тъй като по това време в LHC текат експерименти, свързани със суперсиметрията, тази статия приковава вниманието на всички физици по света.

През 2011 г. той заедно със свои колеги теоретици и експериментатори публикуват „Последици от първоначалните LHC търсения за суперсиметрия“ в European Physical Journal. В нея те правят подробен анализ на данните, свързани със суперсиметрията, включително и възможните последици от появата на

Higgs бозона

в LHC. (Една година преди официално да бъде потвърдено съществуването му.)

Последните му изследвания също са посветени на търсенето на тъмната материя и суперсиметрията, която осигурява мост между Стандартния модел и необяснимото поведение на частиците.

Започваме разговора и първият ми въпрос е за една от най-големите загадки във Вселената – за пъзела, който над 90 години предизвиква поколения физици. Причината е в основателното предположение, че освен видима материя трябва да има и друга – невидима. Доказателствата се крият в гравитационните сили. Инструментариумът за „улавянето“ й става все по-съвършен и вниманието на Елис е насочено именно към тези резултати. Самият той е нещо като галактически детектив, който използва всички налични данни – както от Големия адронен колайдер LHC в ЦЕРН, така и от други ускорители, за да засече частици или следи от частици тъмна материя.

„Историята започва през 30-те години на миналия век, когато швейцарският астрофизик Фриц Цвики наблюдава галактиките в клъстера (струпването) Кома – разказва Джон Елис. - Тогава той открива нещо странно - че тези галактики се движат твърде бързо. Какво имам предвид? Чрез галактиките можем да изчислим какво гравитационно поле генерират и след това да пресметнем каква скорост трябва да имат, за да останат в това гравитационно поле. Така Цвики установява, че тези галактики в Кома се движат твърде бързо. Тоест ако действа само гравитационното поле, генерирано от видимата материя, те би трябвало да се разлетят – да се отдалечат една от друга, а не да остават заедно. Затова Цвики смята, че там трябва да има някаква допълнителна невидима форма на тъмна материя.

Все пак говорим за 30-те години и тогава не се обръща внимание на това наблюдение. Човекът, който наистина предоставя доказателства за тъмната материя, е американският астроном Вера Рубин. Тя прави нещо различно – докато наблюдава движението на звездите в самите галактики, забелязва почти същия ефект като Фриц Цвики - движат се твърде бързо (почти с еднаква скорост както близо до центъра на галактиката, така и далеч по периферията й (което противоречи на закона на Нютон, според който отдалечените от центъра звезди трябва да се движат по-бавно, тъй като гравитацията отслабва с отдалечаването от центъра). Затова тя стига до извода на Цвики, че гравитационното поле, генерирано от звездите, не е достатъчно, за да ги задържи в галактиката при тази висока скорост.“

„От 70-те години досега има още много доказателства, потвърждаващи, че тъмната материя съществува – казва Елис. - Например можем да измерим свойствата на фоновата радиация, изпълваща Вселената, генерирана при раждането на атомите 300 000 години след Големия взрив. Използвайки тази светлина, можем да разберем какво е имало във Вселената в началото на нейното развитие. С моите измервания на фоновата радиация може да се изчисли плътността на материята, на антиматерията.

Очевидно е имало радиация,

очевидно е имало обикновена видима материя, но освен това трябва да я е имало и тази тъмна материя. Използвайки тези наблюдения, можем в известен смисъл да изчислим количеството тъмна материя и да я сравним с количеството видима материя. Тъмната материя е около 6 пъти повече от видимата (т.нар. барионна) материя във Вселената. Някои казват, че това не е материя - просто неправилно разбираме гравитацията. Но аз мисля, че тази идея не описва коректно какво се случва с космическия микровълнов радиационен фон, мисля, че „модифицирането“ на гравитацията е много по-необосновано обяснение от това, че има допълнителна материя, която не можем да видим.“

На въпрос от какво може да е съставена тази тъмна материя, тъй като Елис е част от теоретичното звено на ЦЕРН и той много внимателно наблюдава резултатите от експериментите в LHC, той казва: „Полагат се огромни експериментални усилия, за да се установи какви са свойствата на тази частица „тъмна материя“ – тя няма електрически заряд или има много малък електрически заряд - не е същият като при електрона или протона, има много слаби взаимодействия. Тоест тя не е съставена от неутрални елементарни частици като неутрон (неутронът има същата маса като протона, но няма заряд – бел. ред.), например. Тя трябва да има относително голяма маса и следователно не може да е неутрино. Трябва да е допълнителен тип частица – нещо, което не сме срещали преди. Има различни идеи каква трябва да е частицата тъмна материя - зависи от идеите и начините за търсене. Според теорията ние седим в тази стая и тук има частици тъмна материя през цялото време. Ако тъмната материя е тук, би трябвало да е лесно да я регистрираме, но не е така просто, защото взаимодействията са много, много слаби.“

Причината е, че космическите лъчи объркват учените и затова те предпочитат да провеждат изследванията в подземни лаборатории, добре защитени от външни влияния. Затова ускорителите и детекторите в ЦЕРН са на 100 м под повърхността. Именно в тези експерименти са откривани следи от частици тъмна материя – в тях се търсят много редки, много слаби сблъсъци между евентуалните частици тъмна материя и частици обикновена материя.

„Ако това наистина са частици тъмна материя и ако тяхното тегло е хиляди пъти по-малко от това на протона, тогава сблъсъците между протони и високоенергийни частици трябва да произведат частици тъмна материя. Тези частици тъмна материя не се виждат, защото нямат електрически заряд, нямат взаимодействия в детектора, но след като са произведени, те имат енергия и скорост, които могат да бъдат засечени в детектора.

Всъщност не виждате самата частица тъмна материя, тъй като тя няма електрически заряд, не взаимодейства в детектора, но след като бъде произведена, тя отнема енергия и инерция от видимото вещество, които може да откриете. Тогава трябва да извадите в таблица баланса на цялата енергия и инерция след сблъсъка и да видите къде има баланс и къде – не.

Ако няма, може би това е тъмна материя. Има два начина за търсенето й – ако има частици тъмна материя около нас във Вселената, тогава те могат да се сблъскват една с друга и да произведат частици, които можем да засечем в детекторите. Това е нещо, което астрономи и астрофизици правят –

търсят неочаквани частици

в космическите лъчи, но засега без късмет. Има и други възможности за търсене – например преди няколко години бяха открити гравитационни вълни от сливане на черни дупки с много ниска маса. Това е част от програмите на Големия адронен колайдер LHC в ЦЕРН за търсене на частици тъмна материя.“

Според Елис един от експериментите в ЦЕРН допуска, че при сблъсъците на ускорени протони с високи енергии могат да се произведат частици тъмна материя. Друга възможност е, когато астрономите засекат неочаквани частици в космическите лъчи, получени от сблъсъци на такива частици.

„Както и да е, това е ситуацията в момента – казва физикът. - Тъмната материя е голям пъзел.“

Има много идеи каква може да е тази тъмна материя - те варират от тежки черни дупки до вълни от невидими частици. В ЦЕРН е най-сериозният инструментариум за „залавянето“ й, но в момента няма преки доказателства. За самия Елис това е един от най-вълнуващите нерешени въпроси не само в астрофизиката и космологията, но и във физиката на елементарните частици.

Причината е, че в тъмната материя вероятно има цял нов свят от частици, за които досега учените нищо не знаят, но те могат да обяснят едни от най-големите тайни във Вселената.

„В суперсиметрията тя може да идва под формата на светлинни вълни – допуска физикът и веднага добавя: - Сега има нещо интересно - може би тъмната материя е създадена от черни дупки – възможно е те да са с много ниска маса. Това не може да се изключи.“

На въпрос каква е неговата хипотеза или предположение, Елис като типичен учен, който не робува на теории, а се интересува единствено от данните и резултатите, свива рамене: „Честно, не знам. От много години се интересувам от идеята за тежките суперсиметрични частици, LHC не ги е открил още. Аз продължавам да работя в областта на суперсиметрията по този въпрос. Но се интересувам и от тези много леки вълни-частици тъмна материя. Участвам в един експеримент във Великобритания, който се опитва да открие такива вълни. Следят се взаимодействията между атоми и се изследва различната чувствителност към тъмната материя, а също и към

гравитационните вълни

- в бъдеще. Аз се надявам, че знам, че тъмната материя съществува, но не знам какво точно е тя.“

- Айнщайн в края на живота си говори за нова сила във физиката, но така и не успява да я докаже.

- Тази идея е от дълго време, може би сега има някакви доказателства, но не са окончателни. Айнщайн не е знаел за взаимодействията на частиците, той не е такъв физик, той е разбирал от електромагнетизъм, от гравитацията, но не е бил заинтересован от силното и слабото взаимодействие. Сега ние знаем за тях, но тогава тези теории не са съществували. Идеята на Айнщайн за допълнителна сила е хипотетична.

- Той казва че е повече философ отколкото физик – смята, че има сила, която обединява всичко. Това са негови предположения, а не изследвания.

- Съгласен съм, че в късните години той е бил главно философ, но преди това е бил истински физик, който интерпретира данните, който работи с данните от експериментите.

- Той казва, че ако постигнем скоростта на светлината или по-висока можем да пътуваме във времето. Възможно ли е това или е фикция?

- Принципно е истина, но ако пътуваме по-бързо от скоростта на светлината, тогава ще пътуваме във времето. Истината е, че не можем да пътуваме с по-висока скорост, иначе би се променил начинът, с който описваме реалността. Теоретично е много трудно да се разбере как се пътува по-бързо от скоростта на светлината – частиците, пътуващи по-бързо от нея, са тахиони – има теоретичен проблем с тях, когато говорим за фермиони и бозони. Ако тахиони и бозони са нестабилни във вакуум и могат да стигнат до колапс, тогава тахионите не могат да са бозони, могат да са фермиони – т.е. отговорът е „не“. Принципите в специалната относителност са да се определят начините, по които частиците проявяват своето поведение, техният спин. Спинът при

тахионите

е напълно различен от този на електрона или на неутриното, за фермионите знаем, затова мисля, че е невъзможно за частица да се движи по-бързо от скоростта на светлината.

- Но в ЦЕРН постигате 99,9999991% от скоростта на светлината, след 10 години, когато има други ускорители, възможно ли е да се постигне по-висока скорост?

- Но според специалната относителност на Айнщайн, ако се движим по-бързо, е необходима повече енергия. Същото е с частиците, поставяте ги в електромагнитните полета, но сумата от енергията, която трябва да пуснете в електрони и протони, за да пътуват със скоростта на светлината - може в бъдеще да е повече. Да, ние сме близо до нея, но никога не сме постигали скоростта на светлината.

Какво мисли Джон Елис за новата физика, черните дупки, за странностите в квантовата механика, защо предпочита суперсиметрията и теорията на струните, четете в следващ брой.

Европроект
Европроект "Космос"

Абонамент за печатен или електронен "24 часа", както и за другите издания на Медийна група България.

Други от Наука и технологии

Хоаким Гарабу се гмурка на места в Средиземно море, където е поставил маркери, за да види къде има останали колонии от корали.
СНИМКА: ЛИЧЕН АРХИВ

Силно отровната риба фугу и още 1000 подобни нахлуват в Средиземно море

СНИМКА: Pixabay

Първата европейка, която ще бъде командир на МКС, е на подготовка в Русия

Китайската научноизследователска експедиция „Тансуо-1“ се завърна в Саня от своята мисия в Марианската падина

Китайската научноизследователска експедиция се завърна от мисията си в Марианската падина

Робот следи за дистанцията между хората в пандемията.
Снимка: eurekalert.org

Робот следи за дистанцията по време на пандемията

В Чунцин пуснаха тестово три автономни автобуса

В Чунцин пуснаха тестово три автономни автобуса

СНИМКАТА Е ИЛЮСТРАТИВНА

Учени създадоха хидрогел за възстановяване на увредени тъкани

Последно от 24 здраве лого

Мнения

Последно от мила бг лого

Последно от

Последно от 168 часа лого

Последно от

Още от Наука и технологии

СНИМКА: Pixabay

Пълно слънчево затъмнение над Антарктида - последното в света до април 2023 г.

Новата планета е с размерите на Марс

Откриха нова планета с размерите на Марс

СНИМКА: РОЙТЕРС

Учени създават ембрионални модели със стволови клетки

СНИМКА: Pixabay

"Байонтех" ще създаде ваксина срещу Омикрон за 100 дни

СНИМКА: pixabay

Мегакомета в Слънчевата система е започнала да отделя отровен газ

Астронавти на НАСА излязоха в открития Космос

Астронавти на НАСА излязоха в открития Космос

Последно от

Последно от

Най-важното